Нурбей Гулиа - В поисках «энергетической капсулы»

Все равно я решил построить модель такого воздуховоза, чтобы самому убедиться в преимуществах и недостатках воздушного аккумулятора. Как мне представлялось, модель автомобиля-воздуховоза сделать несложно. По моим расчетам, для этого нужен был углекислотный огнетушитель, например автомобильный, который выбрасывает струю газа, а не пены, и тяговый пневмодвигатель, скажем от воздушной дрели или гайковерта.

Но, увы, первое же испытание воздуховоза разочаровало меня. Я направил сжатый углекислый газ из огнетушителя в пневмодвигатель, а тот, чуть-чуть поработав... замерз. Да, да, покрылся инеем и остановился!

Объяснение этому поразительному явлению я нашел в том же учебнике физики.

В принципе любой сжатый газ при резком расширении сильно охлаждается. Когда я, ничего не подозревая, крутанул вентиль баллона сразу до отказа и газ под большим давлением вырвался из отверстия, расширение оказалось столь интенсивным, что газ стал превращаться в снег. Не обычный, а утлекислотный, с очень низкой температурой. Такой снег, только спрессованный, часто называют «сухой лед», потому что он переходит в газ, минуя жидкую фазу. Мне не раз приходилось видеть «сухой лед», когда я покупал мороженое. Но главное – охлаждение значительно снизило запас энергии в сжатом газе. Ведь давление газа при охлаждении стремительно падает, а значит, уменьшается и количество выделяемой энергии. Это и было основной причиной остановки пневмодвигателя.

Можно, конечно, нагревать охлажденный газ, чтобы вернуть ему прежнюю температуру. Но ведь нагрев – затрата энергии. Газ когда-то сжимали, закачивая в баллон. Тут-то он и нагревался: газы, как известно, при сжатии нагреваются. Вот если бы горячий газ сразу же пустить в работу, то он охладился бы всего до исходной температуры. А при хранении баллон с горячим газом в конце концов остывает, принимает температуру окружающего воздуха. Отсюда и столь сильное охлаждение газа при выходе его из баллона, при расширении, отсюда и «сухой лед».

Как ни горько было мне читать об этом в учебнике, но это было правдой, подтвержденной моим собственным опытом по «замораживанию» пневмодвигателя. Вроде бы и учился я неплохо, по физике имел только «хорошо» и «отлично», однако почему-то начисто забыл о тех явлениях, которые на уроках в школе казались мне такими простыми и понятными.

Тем не менее с воздушным аккумулятором надо было что-то предпринимать.

В помощь воздуху – масло

Прослеживая мысленно все этапы работы аккумулятора, я вдруг понял, что под впечатлением моей неудачи с воздуховозом упустил из виду очень существенный момент. Действительно, решив бороться с расширением и охлаждением газа после выхода его из баллона, я совсем не подумал о том, что почти то же самое происходит в это время и внутри баллона. С каждым мгновением газа в нем остается все меньше и меньше, он все больше расширяется, давление его падает, а соответственно снижается и количество выделяемой энергии. И если сначала мы получаем с одного литра сжатого газа огромную энергию, то, когда давление его приближается к атмосферному, в аккумуляторе уже не энергия, а «пшик».

Хорошо бы не давать газу расширяться так сильно, подумал я. Допустим, довести давление этак с 50 мегапаскалей до 20 и на этом остановиться. Не так уж и трудно это сделать, если, например, взять цилиндрический баллон и перемещать внутри его поршень. И охлаждение было бы значительно меньше, и газ можно было бы не выпускать в атмосферу, оставляя его все в том же герметичном баллоне-цилиндре, просто увеличивая его объем. А это в свою очередь позволило бы использовать не только воздух, но и более подходящий для сжатия газ, поинертнее, скажем азот или гелий. Дело в том, что воздух под большим давлением окисляет смазку, которая присутствует везде и всюду, а азот и гелий – нет.

Кстати говоря, чисто воздушный аккумулятор чем-то напоминает резиновый – и там и здесь упругое тело (воздух, резина) само взаимодействует с рабочим органом, непосредственно совершает работу. А вот резина со шнурком разделяют обязанности – резина энергию накапливает, а шнурок совершает работу. Шнурок нерастяжим, и поэтому ему легче взаимодействовать с рабочим органом, например осью колеса. Будь тут одна резина, было бы много потерь энергии из-за трения. Недаром когда-то догадались помещать в рогатке кусок кожи в месте контакта с камнем – так сказать, рабочим телом. Без этой кожи рогатка стреляла бы гораздо хуже.

Надо бы придумать что-нибудь подобное и для воздушного аккумулятора, решил я. И поиски привели меня к уже давно известному устройству, принцип работы которого заключался в следующем.

Заливаем в баллон со сжатым газом машинное масло и разделяем их поршнем или резиновой диафрагмой. Сжатый газ давит на поршень, тот на масло, а оно уже поступает под давлением в гидромашину, которая очень похожа на пневмодвигатель или даже на паровую машину – те же цилиндры, поршни, золотники. Только вместо газа или пара гидромашину приводит в действие масло. Масло не сжимается, поэтому потерь энергии в такой машине во много раз меньше, чем в воздушной – пневмодвигателе. Да и смазки не нужно – машинное масло само прекрасно смазывает трущиеся детали. Несжимаемое масло здесь как раз играет роль нерастяжимого шнурка.

Это был тоже аккумулятор – гидрогазовый, то есть состоящий из жидкости – масла – и газа. Но наряду с преимуществами перед чисто воздушным он имел и свои недостатки.

Главный недостаток – требовалось много масла. Чем более емкий аккумулятор мы захотим сделать, тем больше в нем должно быть сжатого воздуха. Масла, естественно, понадобится столько же, сколько и воздуха, не меньше. И еще – пройдя через гидромашину, масло свободно стекает в бак, тяжелый, громоздкий, тем большего размера, чем больше масла. Если учесть, что здесь используется не один, а сразу несколько баллонов со сжатым воздухом и маслом, то можно себе представить, как это все увеличит размеры и массу аккумулятора!

Нет, размышлял я, так дело не пойдет. Куда мне такая громадина? Один только бак чего стоит... А нельзя ли обойтись совсем без него?

Половину баллона сначала занимает сжатый газ, вторую половину – масло. Попробуем сузить баллон посередине, между жидкостью и газом, и поставить там запорный клапан. Таким образом изменим все баллоны аккумулятора. Теперь сделаем вот что. Пусть масло находится в нижней половине первого баллона, в верхней – сжатый газ. В остальных баллонах оставим только сжатый газ в верхних половинах – нижние пусты, и запорные клапаны перекрыты.

Итак, весь газ сжат, энергия в нем накоплена – все готово к совершению работы. Сможет ли аккумулятор работать без бака?