introduction
Cet article est la suite de la publication «Regard sur le passé. Technologie du XVIIIe siècle » .
Dans celui-ci, nous avons construit une machine à vapeur vraiment fonctionnelle, qui devrait devenir la partie principale de l'avenir.moto à vapeur, et a même mené des expériences d'essai sur son lancement dans les airs.
Nous devons maintenant résoudre le problème énergétique. Et ici commencent les principales différences par rapport aux moteurs à combustion interne (ICE). Dans de tels moteurs, l'essence, se mélangeant à l'air, pénètre dans le cylindre du moteur et lorsque ce mélange air-carburant s'enflamme, de l'énergie est libérée. Les produits de combustion expansés se pressent contre le piston, produisant du travail. Mais dans les moteurs à vapeur, l'énergie ne naît pas dans le moteur. Elle est née dans un chaudron. La chaudière produit de la vapeur qui, à son tour, appuiera sur le piston de notre moteur. C'est cette énergie ancienne que nous devons freiner!
Dispositif
Chaudière à vapeur - une chaudière conçue pour générer de la vapeur saturée ou surchauffée. Il peut utiliser l'énergie du combustible brûlé dans son four, l'énergie électrique ou recycler la chaleur dégagée dans d'autres installations. (Wikipedia)
Il existe deux principaux types de chaudières: classique et à flux direct. Le premier type était le plus souvent utilisé pour faire fonctionner les moteurs à vapeur. Il peut être décrit comme un réservoir en fer avec une chambre de combustion intégrée. Le carburant brûle dans la chambre de combustion, chauffant l'eau du réservoir. L'eau commence à bouillir et de la vapeur se crée sous pression. Ce type était utilisé sur les locomotives à vapeur et toutes les premières machines à vapeur:
Les chaudières classiques présentent à la fois des avantages et des inconvénients. Les avantages sont qu'aucune pompe n'est nécessaire pour créer une pression de vapeur, car l'énergie stockée de l'eau peut alimenter le moteur en vapeur pendant une longue période, même en l'absence d'incendie. Ces chaudières ne sont pas très exigeantes sur la qualité de l'eau. Les locomotives étaient remplies de l'eau la plus ordinaire des rivières, des sources, des puits, etc.
Une chaudière à passage direct peut être imaginée comme un long tube enroulé de manière compacte, profilé par une flamme, dans lequel l'eau est pompée. Ce type de chaudière présente de nombreux avantages:
- Permet de créer de la vapeur de pression plus élevée avec moins de masse et un petit volume de chaudière.
- En raison du fait qu'il n'y a pas beaucoup de support dans le tube, une telle chaudière est considérée comme plus sûre (une grande quantité d'énergie n'est pas stockée).
- Sortie rapide du mode, car vous n'avez pas besoin de réchauffer une grande quantité d'eau.
Pour une compréhension aisée, le fonctionnement d'une telle chaudière peut être représenté sous une forme simplifiée:
Création d'une chaudière à passage unique
Et, bien sûr, je voulais faire une chaudière à flux direct.
Après avoir ramassé de longs tubes inox de différentes sections, je les ai soudés ensemble de telle sorte que la section augmente progressivement. Ensuite, tout cet «intestin» de 8 mètres a été enroulé de manière compacte et emballé dans le cadre de la moto. Les parois extérieures, censées retenir la flamme et la diriger dans la bonne direction, étaient en simple étain. La pompe qui pompe l'eau (transporteur) était constituée d'un réservoir d'essence, qui contient généralement les capots et les coffres des voitures. Structurellement, un «plus proche» est un produit fini. Je n'avais besoin que de souder l'entrée et la sortie d'eau et de fixer une vanne qui ne laisserait pas l'eau pompée revenir. La pompe était fixée de manière mobile avec l'une de ses parties au châssis et l'autre à la manivelle sur l'arbre de roue. À l'aide d'un tuyau flexible haute pression (tuyau de frein d'une voiture), de l'eau sous pression a été pompée dans la chaudière,et a été prélevé dans un réservoir séparé situé au-dessus de la pompe. Le brûleur a été fabriqué selon le type de «toiture», ces travailleurs chauffent le matériau de toiture sur les toits des bâtiments. Pour augmenter le pourcentage de débit autour des tubes, j'ai installé deux brûleurs à la fois.
Résultat
Les essais d'une moto à vapeur équipée d'une chaudière à passage unique ont mal tourné depuis le début. Le tout premier problème était le manque de pression «initiale» dans la chaudière. J'ai dû tourner la roue avec mes mains pour que la pompe envoie une certaine quantité d'eau dans le pipeline. Mais, lorsque j'ai ouvert la poignée des gaz (en fournissant de la vapeur au moteur), la pression de la vapeur a instantanément chuté, n'ayant pas le temps de faire tourner la roue. La solution n'a pas été trouvée immédiatement. Un petit réservoir d'air a été fabriqué après la pompe. Cela fonctionnait comme une source d'eau. Stocke l'énergie de compression de la pompe et la restitue lorsque la pompe était à un point mort ou en phase d'aspiration de l' eau d' alimentation .
Le moteur tourne! Mais cela a fonctionné pendant environ 10 secondes. Une vanne à tiroircoincé. Lors du démontage du moteur, aucun problème n'a été identifié. En le remontant et en le relançant, j'ai rencontré le même problème. Il s'est avéré aller et venir tout seul. Après avoir étudié ce problème, une erreur a été trouvée dans les calculs de dilatation thermique. Initialement, la bobine était un morceau solide de fluoroplastique, mais elle s'est avérée avoir un coefficient de dilatation thermique très élevé (22) et lorsqu'elle est chauffée, elle s'est tellement dilatée qu'elle s'est bloquée à mort dans le corps.
Après des calculs détaillés et minutieux de la dilatation thermique, une bobine en acier équipée d'anneaux en PTFE de 2 mm de largeur a été usinée.
Le corps étant en aluminium et la bobine en acier, la différence de dilatation thermique a été réduite à presque zéro.
Un nouveau test a montré que la bobine fonctionne très bien et sans aucun problème. La roue suspendue tournait, de l'eau était pompée, la chaudière à flux direct fonctionnait. Il est temps de faire un tour. Mais alors un nouveau problème est apparu. Je ne pouvais pas conduire plus de quelques mètres. Encore une fois, j'étais confus. Cela fonctionnait toujours! Au repos, tout est débogué! Qu'est-ce qui ne va pas d'autre?
Après une longue analyse d'autres appareils à vapeur similaires,
J'ai réalisé que ma chaudière était trop petite (la longueur du tube chauffé), en conséquence, avec une augmentation de la productivité, l'eau n'a tout simplement pas eu le temps de s'évaporer et s'est envolée avec la vapeur dans le moteur. De cet effet, l'efficacité de toute l'installation disparaît, car l'expansion de l'eau est trop faible ou ne se produit pas du tout. Augmenter la longueur du tube de la chaudière n'est plus une tâche facile. Mais mon chagrin ne s'est pas arrêté là non plus.
Lors des tests suivants, j'ai torturé l'appareil, le forçant à fonctionner, mais l'état du moteur a commencé à se détériorer fortement et à un moment donné, il s'est bloqué. Cette fois, le refroidissement avec de la neige n'a pas aidé. Une cloison importante était à nouveau nécessaire. Les résultats de l'autopsie ont montré que tous les anneaux en fluoroplastique fondaient et même le piston en aluminium s'était tellement dilaté à cause de la chaleur qu'il a commencé à soulever le cylindre. Et cela s'est avéré être un problème fatal. Le fait est qu'à un débit élevé, cette chaudière n'a pas eu le temps de produire la quantité de vapeur requise, et à un faible débit, elle a créé de la vapeur d'une telle énergie que tout le moteur s'est simplement mis en panne. Et pas étonnant. Après tout, les tubes de sortie de la chaudière étaient chauffés au rouge. Autrement dit, la vapeur a atteint des températures de l'ordre de 600 à 700 * C. Comme nous le savons, le fluoroplastique se décompose à 400 * C. Pour moi, c'était la "dernière goutte"!Je voulais déjà avoir une moto fonctionnelle et j'étais embourbé dans des problèmes sans fin!
Presque tout dans la chaudière a dû être refait. Et à ce moment-là, je me suis rendu compte que, malgré les avantages incontestables d'une chaudière à passage unique, ce produit n'est pas très simple et nécessite un calcul délicat, un équipement de contrôle supplémentaire et la pompe ne consomme pas une petite partie de l'énergie de rotation. Il était clairement entendu que si je fabriquais une chaudière classique, aucun de ces problèmes ne se poserait simplement!
Chaudière classique
Après tous ces problèmes sans fin avec une chaudière à flux direct, créant une chaudière classique, j'étais juste, pourrait-on dire, au repos. Comme je l'ai dit ci-dessus, il ne s'agit que d'un tonneau en fer dans lequel la chambre de combustion est intégrée. Il était possible de ne pas du tout penser à la température de la vapeur, car avec une surpression, la soupape de sécurité fonctionne et libère l'excès, réduisant la température de l'eau et maintenant la pression dans les limites spécifiées. Il n'était pas nécessaire de créer la rotation initiale de la roue pour augmenter la pression initiale. La vapeur pour le «démarrage» était prête immédiatement et même stockée en excès. Tout ce qui était nécessaire était de trouver une chambre de combustion efficace. Mais ici, j'ai dû réfléchir attentivement, car nous n'avons pas beaucoup d'espace.
Fabrication
À la réception en métal, j'ai trouvé une sorte de récepteur ou de bouteille de propane avec une épaisseur de paroi de 3-4 mm, de sorte que les dimensions de la chaudière étaient déjà fixées de manière rigide.
Si vous vous embêtez beaucoup avec une chambre de combustion massive et efficace, il y aura peu de place pour l'eau elle-même (le transporteur). Si le four est trop petit, alors nous n'aurons pas assez d'énergie pour une vitesse de croisière plus ou moins satisfaisante, et le processus de chauffage de la chaudière lui-même prendra trop de temps.
Et voici ce que j'ai trouvé. La chambre de combustion sera soumise à une compression par une énorme pression, il a donc été décidé de la rendre simple, à travers et ronde. Un tuyau ordinaire de 100 mm est passé sous cela. Pour augmenter l'efficacité de notre foyer ( échangeur de chaleur ), 12 tubes traversants transversaux ont été insérés.
J'ai trouvé cela très bénéfique, car ils circuleraient autour des flammes et des gaz d'échappement à angle droit,
et l'eau à l'intérieur d'eux circulerait sous l'effet de convection naturelle. Cela gardera le volume maximum d'eau dans la chaudière, et pour nous c'est la réserve de marche. Et, en prime, une telle chambre de combustion était facile à couper dans le réservoir. Il était seulement nécessaire de faire deux trous sur les deux bords.
Pour contrôler la pression, j'ai installé un petit manomètre. Il n'est pas nécessaire de contrôler la température du support, car elle est directement liée à la pression et ne va clairement pas au-delà de la marque critique (400 * C). J'ai décidé de rendre la pression dans la chaudière comme celle des vraies locomotives à vapeur - 16 bar.
La soupape de sécurité est réglée à 18 bar. Maintenant, il reste à appuyer dessus... C'est une sorte de test de résistance. La chaudière est remplie d'eau vers le haut et une pression accrue est pompée. Au début, je l'ai fait avec une pompe d'un plus proche, resté du système de chaudière précédent, mais la compression d'une telle pompe à une pression de plus de 20 bar s'est avérée être une tâche difficile (c'est très bien que nous puissions maintenant abandonner une telle unité, car elle prenait beaucoup de puissance sur elle-même) ... Il s'est avéré qu'il était plus pratique de pressuriser avec un extincteur à dioxyde de carbone. Avec eux, j'ai facilement créé une pression dans la chaudière de 25 bars (c'était le maximum de mon manomètre) et, après avoir attendu quelques minutes, j'ai procédé au réglage de la soupape de sécurité.
Résultat
La chaudière s'est avérée géniale. Même la pression de 25 bars ne lui était rien. Il n'a même pas commencé à craquer. La soupape de sécurité (utilisée par les compresseurs) a fonctionné clairement, même si elle a fait chuter la pression de 18 à 9. Celle-ci n'est pas très rentable pour nous, mais elle ne fonctionnera que si vous ne pouvez pas suivre vous-même la pression. Il vaut donc mieux ne pas l'amener à son fonctionnement. Ce sera un gaspillage inutile de ressources.
Flamme
Nous devons maintenant résoudre le problème du feu. Bien sûr, ce serait bien et agréable de chauffer une telle moto avec du bois. Il s'agit d'une rétrospective sur le passé, le steampunk, le classicisme, mais, comme je l'ai dit, nous avons très peu de place pour cela, car notre foyer est un peu plus qu'un coude. Bien sûr, vous pouvez y installer un bouchon de charbon, mais ce n'est même pas suffisant pour simplement réchauffer la chaudière. Ici, j'ai dû me retirer de la romance et fabriquer un brûleur à gaz. C'est en fait un carburant très efficace, puissant et pratique. Le gaz est liquide, il est donc facile de le stocker, il est facile de l'introduire dans le brûleur et il passe immédiatement sous pression, ce qui vous permet de créer un flux chaud à grande vitesse dans le four, améliorant ainsi le processus d'échange de chaleur (aucun soufflage n'est nécessaire).
Fabrication
À la réception en métal, j'ai trouvé d'excellents réservoirs en acier inoxydable de petite taille. À en juger par leur forme et leur couleur bleue, ce sont des réservoirs d'oxygène provenant d'une sorte d'avion de passagers. J'ai assemblé plusieurs de ces réservoirs dans une batterie et les ai combinés avec des conduites d'alimentation en gaz et de ravitaillement. Le volume de chaque réservoir est d'environ 1,7 litre, ce qui signifie qu'il sera possible d'emporter plus de 5 litres de carburant avec vous. gaz liquide. D'accord, pas un mauvais approvisionnement en énergie.
Avec le brûleur, il n'est pas devenu sage et a simplement copié le système du chalumeau à essence soviétique. Je dois expliquer quelque chose ici. Le chalumeau est conçu de telle manière que l'essence pénètre d'abord dans une certaine cavité, où elle doit s'évaporer et, déjà sous forme de vapeurs, est libérée dans la zone de combustion. Et la flamme du brûleur chauffe cette chambre très "d'évaporation". Nous aurons besoin de la même chose. Imaginez ce qui se passerait si du gaz liquide commençait à s'échapper d'un tel brûleur ... Le processus d'évaporation du gaz est relativement long et, en plus, il s'accompagne également d'un effet cryogénique. La flamme d'un tel brûleur sera longue, inefficace, peu économique et même dangereuse pour le feu.
Expérience (Fig. A) Flamme d'un brûleur non chauffé (Fig. B) Mode correct, brûleur chauffé
Par conséquent, le gaz doit être fourni à notre brûleur en douceur afin qu'il ait le temps de se réchauffer.
Les tests de la chaudière se sont déroulés comme une horloge. J'ai rempli environ 35 litres d'eau, amené le brûleur à pleine puissance et attendu. Après 14 minutes, l'eau a bouilli et la pression a lentement commencé à augmenter. Après environ le même temps, la chaudière était de 16 bars.
J'ai utilisé un simple robinet à boisseau sphérique pour contrôler la vapeur, qui gérait parfaitement la température et la pression. Ils utilisent le même fluoroplastique, donc je pense qu'il n'y aura pas de problèmes.
Pour le plaisir, j'ai décidé d'ouvrir le robinet à fond et de regarder notre énergie. Un jet de vapeur atteignit les garages voisins et créa le bruit d'une fusée qui décollait. En même temps, j'ai senti la force de la poussée du jet, j'ai même dû tenir la chaudière pour qu'elle ne se mette pas à voler partout dans la rue. J'ai été ravi!
Une énorme quantité d'énergie est stockée dans une chaudière de ce type. En évacuant la vapeur pendant 5 secondes à travers le trou de ½ po, la pression de la chaudière a chuté de moitié seulement. Le fait est qu'avec une pression décroissante, le point d'ébullition de l'eau change également. Autrement dit, l'eau commence à bouillir sans chauffer, juste à partir d'une diminution de la pression. Cet effet fonctionnera jusqu'à ce que la température de l'eau tombe à 100 * C. C'est une bonne nouvelle pour nous. Cela signifie qu'il sera possible de conduire pendant une longue période même avec le brûleur éteint.
Mais il y a aussi un effet qui ne m'est pas tout à fait clair. Avec la libération active de vapeur à une pression inférieure à 5 bars, l'eau commence à s'échapper. J'ai supposé qu'il bouillait si intensément que dans son bouillonnement frénétique il atteint le secet la vapeur capturée par le ruisseau s'envole. Pour l'expérience, j'ai vidé une partie de l'eau, laissant le niveau à 20%. L'effet a bien sûr diminué, mais est toujours resté. L'eau rebondit-elle de 30 à 40 cm dans la chaudière? Pour être honnête, je ne l'ai pas encore compris. Tel est le petit mystère.
En tous cas! La fonctionnalité est prête, il est temps d'assembler notre appareil!
Style
Lors de la construction de notre moto insolite, de nombreux "experts" m'ont conseillé de réaliser un système d'eau fermé. C'est-à-dire que la vapeur ne s'échappe pas du moteur dans la rue, mais pénètre dans le condenseur (refroidisseur) et l'eau qui en résulte est pompée dans la chaudière à l'aide d'une petite pompe. C'est une très bonne idée, j'y ai moi-même pensé tout le temps. Mais l'objectif de notre projet n'est pas de voyager à travers le monde sur le bois, mais de réfléchir à la technologie de l'avant-dernier siècle, de relever le défi de l'ingénierie et de profiter du travail d'une véritable machine à vapeur. Eh bien, qu'est-ce qu'une machine à vapeur sans ce légendaire "chug-chug". De plus, j'aimerais regarder la vapeur qui s'échappe, cela en dira beaucoup sur les modes se produisant à l'intérieur du moteur. Enfin, je trouve juste très beau quand il y a des bouffées de vapeur de la locomotive, surtout si elles sont éclairées par le soleil. Romance de locomotive à vapeurpour ainsi dire. Mais, malgré tout cela, pour l'image, j'ai décidé de faire un condensateur, pour qu'il soit vu de nos manières, et juste pour le style.
La plupart des différents produits faits maison sont dans le style "Mad Max" ou "Monde post-apocalyptique". Oui, c'est le moyen le plus simple. Vous n'avez vraiment rien à faire. Des morceaux de fer rouillés, des clés soudées, des chiffons suspendus et le style est prêt. Mais cette simplicité, ou pour ainsi dire "paresseux" dans notre monde est très bien. Je voulais faire quelque chose de petit, mignon et beau. Faire des "bonbons", pour ainsi dire. Et puisque nous avons une technologie de vapeur ancienne, Steampunk se suggère .
Steampunk est un monde fictif. Ce qu'il deviendrait si l'humanité n'avait pas inventé l'électricité, les moteurs à combustion interne et d'autres technologies et que seule l'énergie à vapeur existait.
Bien sûr, je ne suis pas designer, mais lors de l'assemblage d'une moto, certaines choses me sont encore venues à l'esprit.
Test de moto à vapeur
Les essais «garage» de la moto à vapeur entièrement finie, équipée d'une conception de chaudière classique, se sont étonnamment bien déroulés. Pendant que je le construisais, dans les commentaires sur les vidéos, les gens ont recommandé beaucoup de choses correctes et intelligentes. En cours de route, j'ai utilisé certains d'entre eux et à la fin ils se sont montrés très bien. Ainsi, par exemple, lorsque le moteur est chauffé à la vapeur, une grande quantité d'eau s'y condense, ce qui bloque le piston et peut provoquer un coup de bélier. Les gens ont suggéré de faire un petit trou fileté avec lequel il serait possible de libérer de la vapeur et de drainer l'eau condensée, la chauffant ainsi rapidement. Ensuite, noyez-le avec un rouage et partez tranquillement tout de suite.
Étonnamment, la toute première tentative de conduire une moto entièrement finie s'est déroulée sans problème. Comme le dit le proverbe, "je me suis assis et je suis allé." Ayant roulé un peu devant le garage, je me suis rendu compte que cela ne me suffisait pas et j'en veux plus. Bien sûr, pour mesurer tous les paramètres, voir les points faibles, ressentir et comprendre cet appareil, il faut une piste droite, vide et sans fin. Par conséquent, j'ai dû sortir la moto de la ville et gérer calmement tout cela.
À propos des tests:
Dans l'ensemble, je suis très satisfait des résultats. Ils ont même dépassé mes attentes. Voyant comment des motos à vapeur similaires circulent dans le monde entier, notre bébé s'est avéré être loin d'être le dernier.
Conclusion
Quand j'ai pensé à construire cette moto à vapeur, j'ai raisonné comme ceci: je vais la fabriquer, d'une manière ou d'une autre, elle passera tout et, satisfaisant tous mes intérêts d'ingénierie, je la mettrai à la maison en face du canapé comme élément esthétique, pour toujours. Mais non! Maintenant, au contraire, cela me hante. Je veux l'étudier, le moderniser, refaire et battre ses propres records, je veux déterminer son maximum, comprendre tout ce dont il est capable! Bien entendu, dans le cadre de ce concept.
La première chose à faire est de refaire le système de commutation de vapeur en un système classique. Je me suis demandé quelle serait la différence. Et pourtant, lors des tests suivants, vous devrez "jouer" avec les paramètres. Atteignez la vitesse maximale en choisissant l'avance la plus correcte de l'entrée de vapeur. Aussi, je veux expérimenter différents types de carburant.
Apparemment, une grosse mise à jour est à venir. Donc, si notre "locomotive à vapeur" devait prendre sa retraite et s'asseoir quelque part dans un musée, alors je le décevrais grandement! Il a encore un avenir long, difficile, mais très intéressant devant lui!
Plus de détails sur la création et les tests dans le matériel vidéo:
L'énergie de la vapeur s'est rendue!
Bonne idée ou fiasco? Nous avons affaire à une chaudière à flux direct
Création d'un sifflet de locomotive, montage de l'appareil
Tests de moto à vapeur