Игра. Мир без электричества. Энергетика.
Хотя некоторые коллеги критикуют мой подход к построению мира за излишнюю идеалистичность, я решил не останавливаться в самом начале пути ( https://alternathistory.ru/igra-mir-bez-elektrichestva-nachalo-osveshchenie ), и продолжить изложение своих мыслей, связанных с жизнью в мире, где пропало электричество.
ЭНЕРГЕТИКА
Энергетика – наука о закономерностях процессов и явлений, прямо или косвенно связанных с получением, преобразованием, передачей, распределением и использованием различных видов энергии, о совершенствовании методов прогнозирования и эксплуатации энергетических систем, повышении кпд энергетических установок и уменьшении их экологического влияния на природу.
Когда вспоминают доэлектрическую эру, то первой на память всегда приходит паровая машина. Здоровенные агрегаты, топившиеся углем, выпускавшие клубы белоснежного пара и издававшие громкий мелодичный свисток.
На самом деле, в нашем мире сейчас есть более удобные двигатели – дизельные. В этих двигателях электричество используется только для запуска стартера. Стартер делает несколько оборотов коленчатого вала двигателя, вал через шатун двигает туда-сюда поршни, которые закачивают в камеры сгорания воздух. В результате сжатия воздух нагревается до высокой температуры. Топливо, впрыскиваемое затем, воспламеняется от соприкосновения с разогретым воздухом. Взрыв, расширяющиеся газы толкают поршень, поршень через шатун самостоятельно вращает коленчатый вал, двигатель начинает работать.
Как видите, нам нужно только несколько раз провернуть коленчатый вал. Для этого можно использовать два метода.
В 30-е годы XX в., когда еще не было мощных, но при этом компактных электродвигателей, способных самостоятельно провернуть коленвал дизеля использовалась система из электродвигателя и маховичного стартера. Электродвигатель постепенно раскручивал маховик до больших оборотов, а затем, через понижающий редуктор, маховик передавал крутящий момент на коленвал. Понижающий редуктор уменьшал частоту оборотов, но при этом увеличивал прикладываемое усилие. Так что первый метод – маховичный стартер.
В те же самые 30-е возникла проблема запуска авиационных двигателей. Простой ручкой его уже не провернешь, слишком большое усилие необходимо приложить, электростартеры использовать тоже проблематично – вес электродвигателя велик. Возникла идея, зачем вращать, если можно толкать?! Взяли и к одному из цилиндров подсоединили баллон со сжатым воздухом, открыли вентиль, воздух под большим давлением толкает поршень, тот через шатун начинает вращать коленвал. Коленвал же через другие шатуны начинает двигать поршни, конструкция страгивается с места, можно подавать топливную смесь и искру, во все цилиндры, кроме одного. Когда все камеры сгорания выходят на рабочий режим, закрываем вентиль и подаем топливную смесь в оставшийся цилиндр, потом зажигаем искру.
Таким же образом можно запустить дизельный двигатель. Тут возникает два варианта. Первый – использовать один из цилиндров дизельного двигателя. А второй, устанавливать маленький поршневой пневмодвигатель-пневмостартер, который будет использоваться только для запуска основного дизеля, а после того, как двигатель выйдет на обороты, часть мощности можно будет использовать, чтобы подзарядить баллон пневмостартера. Мы вспомнили второй метод запуска дизелей – пневмостартер.
Есть еще один двигатель, который можно использовать без электричества – карбюраторный двигатель с калильным зажиганием. Этот двигатель отличается от обычного карбюраторного тем, что в нем вместо запальной искровой электросвечи используется раскаленный стерженек. Металлический стержень раскаляют до красного свечения, затем вкручивают в цилиндр и начинают вращать за специальную рукоятку коленвал. Поршень начинает прокачивать через камеру сгорания топливную смесь, которая загорается от контакта с раскаленным стержнем. Затем температура стержня поддерживается за счет горения самой топливной смеси. Сложновато, зато меньше по габаритам, чем дизель. Можно использовать в маленьких мастерских, для замены одного-двух электродвигателей, или же в небольших тракторах, автомобилях.
Для получения больших количеств механической энергии можно использовать паровые турбины различных моделей.
В котле с водой, нагреваемом на огне, образуется пар под большим давлением. Пар двигается по теплоцентралям и через специальное профилированное сужающееся-расширяющееся сопло, именуемое соплом Лаваля, попадает в камеру, в которой установлено колесо, оснащенное специальными профилированными лопатками, турбина. В сопле Лаваля пар разгоняется до больших скоростей, при этом падает его давление и температура. Высокоскоростная струя пара, под определенным углом ударяется в профилированные лопатки турбины и заставляет ее вращаться. Из-за высокой скорости истечения струи пара возникает проблема высоких оборотов вала турбины, но она была решена еще в конце XIX в. Чарльзом Парсонсом, который предложил, во-первых, использовать многоступенчатую схему, при которой один и тот же пар, постепенно расширяется, проходя через несколько турбин, установленных на одном валу, во-вторых, использованием, так называемого, турбозубчатого агрегата, где на вал турбины посажен редуктор с косозубыми шестернями. Редуктор уменьшает число оборотов выходного вала.
К преимуществам паровой турбины можно отнести ее многотопливность, все равно, каким образом подогревать воду, сейчас это делают огнем горелок, атомным реактором, солнечными зеркалами-коллекторами, в мире без электричества можно будет использовать огонь, а в солнечных районах зеркала. Кроме того, можно получать очень большие мощности, при сравнительно небольших собственных габаритах. Паровую турбину отличает достаточно высокий КПД и возможность получения горячей воды, которую можно использовать для предварительного нагрева вновь поступающей воды, или же для других нужд.
Конечно же, не будем забывать о классических паровых машинах. К их преимуществам можно отнести сравнительную дешевизну изготовления, способность использовать самые разные типы топлива при минимальной переделке.
К этой же категории можно отнести такую, в нашей реальности, экзотику, как газовые двигатели с внешним подводом тепла, одним из конструктивных решений которых были двигатели Стирлинга. В этих двигателях в качестве рабочего тела используется какой-либо газ, чаще всего обычный воздух. Этот газ подогревается от внешнего источника тепла, к примеру огня, расширяется и совершает работу, толкая поршень. Затем, через охлаждающую камеру он попадает в другой цилиндр, где отдает остатки своей избыточной внутренней энергии, толкая другой поршень. При обратном ходе поршня газ проходит через охлаждающую камеру, которая теперь отдает свое тепло газу, для его предварительного подогрева, затем проходит через подогревающую камеру и попадает в первый цилиндр.
В принципе, все двигатели с внешним подводом тепла, а именно паровые турбины, паровые машины, двигатели Стирлинга, отличаются неприхотливостью в выборе топлива. Если топливо отличается низкими энергетическими характеристиками, малой калорийностью, то его просто больше необходимо для обеспечения работы. В этом преимущество этих двигателей.
Отлично, теперь мы можем получать энергию из созданных природой запасов углеводородов. На большом заводе где-нибудь в закутке огромного цеха можно поставить дизельный или же паровой двигатель, и через систему цепных и ременных передач вращать токарные и фрезерные станки, в мастерских можно использовать калильные двигатели.
Но ведь невозможно поставить повсюду дизельные двигатели, они шумливые, неприятно пахнут, греются, габариты большие. Тянуть везде механические передачи не очень удобно, того и гляди какой-нибудь олух рукой попадет в цепь, раз и нет руки. Калильный двигатель тоже не лишен недостатков. Эти двигатели пожароопасны, неприятно пахнут, да и не всякий согласится обжигаться о запальный стержень, вкручивая и выкручивая его. Что же делать дома, или в текстильном, прядильном цехах, швейной мастерской? Ведь существует так много мест, где сложно или же вообще невозможно установить греющийся, плохо пахнущий двигатель, брызгающий маслом и топливом.
Сейчас этот вопрос решается использованием электрической энергии, которая передает необходимые мощности, произведенные разными двигателями. Но у нас мир без электричества, что же делать?
Разрешите представить нового посредника между двигателями и потребителями, произведенной двигателями энергии. Точнее это наш старый, очень старый знакомый – воздух.
Устройства, в которых рабочим телом служил воздух известны очень давно. Еще в древних Греции и Риме создавали механизмы с разными свистульками и турбинками, в которые воздух нагнетался небольшими мехами.
Пик использования пневматических устройств пришелся на середину XIX, начало XX вв., когда еще не были окончательно проработаны законы электротехники. Правда, этот пик был не очень высоким, потому, что большинство людей предпочитало пользоваться своими силами, для работ которые могла бы облегчить пневматика.
Нам, людям привыкшим к комфорту и удобствам начала XXI в., в реальности, где нет электричества, без пневматики никак не обойтись.
В самом простом виде пневматическая станция – это компрессор, соединенный с каким-либо двигателем. Двигатель вращается, крутящий момент передается на вал компрессора, который с помощью поршня или же вентилятора нагнетает воздух в пневмосистему. Для выравнивания давления в системе устанавливается баллон-ресивер, в который предварительно закачивается воздух, а потом расходуется по мере надобности. Сейчас клапан, контролирующий давление в баллоне, подсоединен к реле, отключающему электродвигатель. В случае отсутствия электричества, клапан через систему тяг будет отжимать диск сцепления, наподобие тех, которые используют в коробках передач автомобилей. Эти же тяги можно будет использовать для уменьшения оборотов двигателя на холостом ходу.
У пневматических систем есть один существенный недостаток, при движении воздуха по трубам, частицы воздуха трутся о поверхность трубы и замедляются, в результате падает выходное давление. Передача электрического тока сопровождается потерями на электрическое сопротивление со стороны материала проводников, провода греются, отдавая драгоценную энергию воздуху. Но величина потерь у пневмосистем выше, чем у электрических. Поэтому пневматические системы невозможно сделать централизованными, невозможно создать гигантскую пневмостанцию, снабжающую воздухом целый город, типа Москвы или Ташкента. Если пропадет электричество, придется строить минипневмостанции во дворах или подвалах зданий.
Для получения небольших мощностей в сельской местности можно использовать ветровые и водяные колеса. Мощности, получаемые таким образом невелики, зависят от внешних условий, но эта энергия дешевая, ее много. Для какой-нибудь лесопилки или маслобойни должно хватить.
