Компактный источник механической энергии

Краткое содержание:

Этаноловый двигатель внешнего сгорания, горячий воздух «Двигатель Стирлинга».

Около 3 литров этилового спирта в день обеспечивают примерно такой же уровень энергии, который используется человеком, занимающимся малоподвижным образом жизни и деятельностью с умеренными усилиями. Робот меньшего размера с меньшей массой и способностью снижать потребление энергии до минимума в периоды бездействия должен потреблять меньше топлива, чем это.

Деталь.

Углеводородное топливо и сжигание или просто каталитическое окисление, вероятно, настолько плотны, насколько это возможно.

Конечная эффективность в диапазоне 5-10%, вероятно, является разумной, но возможно и больше*.

Углеводороды дают ~= 10 кВтч/кг.
Таким образом, 10% КПД ~= 1 кВтч/кг.

Чтобы получить некоторое представление о необходимых уровнях энергии, человеку, который ведет малоподвижный образ жизни или занимается легкой или легкой деятельностью, требуется около 2000 ккал или чуть менее 10 МДж/день.
1 кВтч = 3,6 МДж
, поэтому при КПД 10% вам потребуется около 3 кг углеводородного топлива.

Это может быть бензин/керосин/масло/древесина/уголь, но этанол более привлекателен, так как его можно сделать относительно без запаха. Кроме того, этанол можно получить в результате процессов ферментации + дистилляции, которые доступны практически везде, тогда как углеводороды могут быть недоступны на месте. Всегда есть рыба, растительные масла или животные жиры, но во всех случаях горение может быть «пахучим».

Чтобы обеспечить механическую энергию, работающую на этаноле, без использования пара или технологии внутреннего сгорания, вы можете внедрить двигатель Стирлинга без пара с внешним сгоранием. Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 году, так что его реализация в условиях поздней викторианской эпохи была вполне осуществима.

_______________________________________________________

*Теоретический абсолютный максимальный КПД двигателя Стирлинга равен
Максимальный теоретический КПД = КПД Карно = Z
Z = (Thot-Tcold)/Thot,
где Thot и Tcold — температуры горячего конца холодного конца в абсолютных градусах.
Фактический КПД, скажем, 50% от теоретического максимума достижим.

При использовании викторианской металлургии Thot = 200 °C = 473 K и tcold = скажем, 50 °C, эффективная = 323 K,
эффективность Карно Z = (473–323)/473 = ~ 32%, поэтому, возможно, 16% фактическая.
10% кажутся разумной начальной целью.

Рабочим газом может быть воздух, гелий или водород - с увеличением плотности энергии.
Водород опасен и имеет проблемы с реализацией.
Гелий был открыт в 1868 году, но в виде солнечной спектральной линии.
Массовая доступность появилась после открытия газовых месторождений в США в 1903 году.
Гелий позволяет существенно уменьшить размеры, но, скажем, двигатель Стирлинга мощностью 250 Вт, использующий воздух, должен быть приемлем и может быть встроен в автомат.

_____________________________________________________

«Вики» - «Двигатель Стирлинга» в викторианском стиле, работающий на этаноле, с горячим воздухом и внешним сгоранием.

Реализация модели двигателя Стирлинга в стиле викторианской эпохи:

Отсюда _

• В двигателях Стирлинга нет ни клапанов, ни карбюратора, ни системы зажигания, ни котлов, и они работают практически бесшумно. Правильно сделанные, они будут работать безупречно каждый раз, когда применяется источник тепла!

• «Вики» - это двигатель с циклом Стирлинга модифицированного типа Хейнрици с элегантным викторианским стилем, разработанным для приятного внешнего вида, который применялся к двигателям и машинам 18-го и 19-го веков. ...

• Двигатель в основном сделан из алюминия с акцентами из полированной латуни и нержавеющей стали и окрашен в темно-зеленый и темно-бордовый цвета. Латунный охлаждающий вентилятор с ременным приводом конкурирует за внимание со стержнем и крейцкопфом. Vickie питается от привлекательной горизонтальной латунной спиртовой горелки со встроенным смотровым стеклом уровня топлива.

Набор больших пружин .

Пружины можно «заряжать», как современные батареи, путем их намотки, и их можно заменять по модульному принципу.

Однако пружины имеют тенденцию быть большими, особенно когда весь «заряд» израсходован, поэтому я сомневаюсь, что это очень хорошее решение.

Хотя инженерия была бы сложной, подумайте о возможности крошечного парового двигателя, работающего на разложении перекиси водорода, химического вещества, которое, безусловно, было известно викторианцам. Высококонцентрированный пероксид можно пропустить через подходящий катализатор (например, серебряную проволоку), и он довольно энергично разлагается на пар и кислород. Изготовление достаточно прочных и долговечных уплотнений для такой системы оставляется читателю в качестве упражнения.

Утечки перекиси с высокими показателями потенциально весьма опасны, поскольку она может быстро воспламенить все виды веществ и может быть весьма токсична для человека. Я не уверен в минимальной концентрации, необходимой для работы этой технологии, и поэтому не могу точно сказать, насколько она может быть опасна, но она не будет полностью защищена от идиотов.

Эта идея имеет два интересных побочных эффекта:

Во-первых, это оправдывает бесконечно повторяющийся викторианский образ в стиле стимпанк. Вы можете или не можете считать это хорошей вещью.

Во-вторых, это может на десятилетия приблизить открытие жидкостных ракет, что весьма интересно отразится на вашей дальнейшей истории 20-го века; не только в войне, но и в развитии технологий полета.

Для справки: расчетная плотность энергии главной пружины составляет 1,5 кДж/л (из этого ответа physics.se ). 60% пероксида больше похоже на 3 МДж /л, так что это даст вам примерную цифру того, насколько лучше может быть маленький паровой двигатель (не принимая во внимание все возможные неэффективности, которые будут легионом, но он все равно будет выходите вперед) Для сравнения, бензин (или бензин, если хотите) более 34 МДж/л, а свинцово-кислотные аккумуляторы около 0,5.

Сила тяжести

В ваших автоматах есть механизм, который преобразует гравитационное притяжение, например, во вращение шестеренок, точно так же, как маятниковый механизм в традиционных часах с кукушкой , в которых в качестве источника энергии используются гири, подвешенные на шнуре или цепи (фактическая мощность создается кривошипом , а не по маятнику).

Для этого нужны такие цепи, свисающие с корпуса автомата, но я уверен, что ваши люди могли бы интегрировать их в общую эстетику в качестве поводков или декоративных лент.

Большая проблема заключается в том, что вам либо нужно несколько таких механизмов для создания достаточного количества энергии, либо вес должен опускаться довольно быстро, чтобы быстрее вращать шестерни (что может быть переведено в большую силу). Кому-то нужно «завести их» (точнее, потянуть за цепь, чтобы гиря снова поднялась выше), прежде чем их гири достигнут пола, и все шестерни просто перестанут вращаться.

Горячие радиоактивные элементы, приводящие в движение эфирный двигатель.

Эфирный двигатель был реальной вещью в середине 1800-х годов; это среди других двигателей, работающих по принципу паровой машины, но использующих рабочие тела с более низкой температурой кипения, чем у воды.

Предлагаю на ваших автоматах иметь на борту эфирные двигатели, обогреваемые куском радиоактивного элемента - мог бы работать актиний, или торий, радий, даже сжатый радон. Многие из этих радиоактивных элементов были обнаружены в конце 1800-х годов, и использование радиоактивных вещей таким образом кажется мне стимпанком. При очистке многие из них выделяют тепло в результате радиоактивного распада. Очищенный актиний может нагреться настолько, что расплавится. Рабочие завода-автомата (против рака) сделают очистку этих элементов более безопасной.

У разных производителей автоматов могли быть свои фирменные двигатели (актиний и эфир, радий и хлороформ, ультиум и бензол и т.д.). Каждая расхваливает достоинства своей системы и опасности других. Я могу представить себе домашних пользователей, которые не хотят покупать радионуклидное топливо и хакают свои автоматы, чтобы они работали на термите или перенасыщенном ацетате натрия.

маховики

В прошлом маховики использовались в качестве «аккумуляторов» для электрических автобусов , а сегодня используются в системах рекуперации кинетической энергии для гоночных автомобилей, а также в качестве энергии на уровне сети. Сегодня мы можем достичь 0,5 МДж/кг с маховиками из углеродного волокна , работающими в вакууме при 60 000 об/мин с подшипниками на магнитной подушке. Одним из больших преимуществ систем с маховиками является то, что их можно довольно быстро перезаряжать. Также возможна очень быстрая разрядка.

Плотность энергии маховика примерно пропорциональна соотношению прочности и веса материалов, из которых мы делаем наш маховик, и определяется как Плотность энергии = K*MaxStress/плотность. K — это коэффициент формы, который описывает, насколько эффективно мы используем материал нашего маховика для накопления энергии, и колеблется от 0 до 1, при этом 0,5 вполне приемлемо. Максимальное напряжение — это максимальное напряжение, которое может выдержать наш материал, а плотность — это плотность материала маховика, для плотности энергии в Дж/кг используйте паскали для напряжения и кг/м^3 для плотности.

Итак, давайте выясним, какой может быть плотность энергии, если предположить, что у нас нет углеродного волокна. Принимая мартенситностареющую сталь с пределом текучести 2400 МПа и запасом прочности 1,3 (максимальное напряжение ~1800 МПа), при коэффициенте формы 0,5 получаем плотность энергии 0,11 МДж/кг. Это несколько разумно, учитывая, что плотность энергии свинцово-кислотных аккумуляторов составляет около 0,14 МДж/кг.

Однако оба этих числа плотности энергии отмечены звездочкой. Для длительного хранения энергии мы должны поместить наш маховик в вакуумную камеру, чтобы устранить сопротивление воздуха, которое увеличивает вес. Более серьезная проблема заключается в том, что накопитель энергии маховика становится очень эффективной бомбой, если маховик выйдет из строя, большая часть накопленной энергии будет преобразована более или менее непосредственно в летящую шрапнель. Итак, нам нужно бронировать наш маховик. Другим недостатком является то, что энергия медленно уходит из-за трения в подшипниках. Это может быть довольно мало, если мы используем подшипники с магнитной левитацией, но я не думаю, что в мире стим-панка это будет. Для максимальной плотности энергии мы должны вращать маховик как можно быстрее, но это приводит к большему износу.

Обман, чтобы заставить маховики работать, состоит в том, чтобы предположить, что у нас есть доступ к материалу с высоким отношением прочности к весу, который я собираюсь назвать унобтаином. Мы можем предположить, что отношение прочности к весу для унобтания смехотворно велико, а это означает, что наша система маховика не нуждается в нем. Возможно, нам нужно лишь исчезающе малое количество, например миллиграммы или меньше, для практического накопления энергии. Это означает, что мы можем ограничить ущерб, наносимый почти неразрушимым материалом, таким как унобтаний, сделав его смехотворно дорогим и пригодным только для хранения энергии маховика.

Тепловые двигатели

Поскольку вы указали, что «точная механика достаточно продвинута и надежна, чтобы воспроизвести интегральные схемы», должно быть возможным создание довольно компактных тепловых двигателей, способных сжигать углеводородное топливо. В качестве примера того, как мы можем довести это до крайности, в качестве замены аккумуляторов были предложены очень маленькие газотурбинные двигатели .

В то время как выше использовался цикл Брайтона , который является тем же термодинамическим циклом, который используется в реактивных двигателях, мы также можем использовать цикл Ранкина , который представляет собой термодинамический цикл, который используется на любой электростанции с паровой турбиной. Было предложено создать паротурбинную силовую установку на кристалле с КПД ~11% и удельной мощностью до 12 кВт/кг. По удельной мощности он сравним с турбовентиляторным реактивным двигателем GE90-115B Brayton мощностью 10 кВт/кг.

Также было предложено использовать крошечные органические турбогенераторы с циклом Ренкина с солнечными концентраторами в качестве замены кремниевых солнечных панелей в спутниках. Что действительно позволяет нам создавать компактные электростанции с циклом Ренкина, так это возможность делать относительно компактные котлы и конденсаторы. Если мы можем создавать сложные крошечные механизмы, мы, вероятно, можем создавать сложные устройства из крошечных трубок.

Гидравлика или пневматика.

Даже сегодня большая часть нашего электрического оборудования тянется проводом к ближайшей розетке. Еще десятилетие или два назад аккумуляторы были слишком большими и тяжелыми, чтобы обеспечить жизнеспособную альтернативу.

Раньше, до электроэнергетики, существовала коммунальная гидравлическая энергия. Лондонская гидравлическая компания установила прочные чугунные трубы и установила насосные станции, работающие на угле, для повышения давления воды в них до гораздо более высокого давления, чем при подаче воды. (Трубы все еще существовали еще долгое время после того, как система прекратила работу, и теперь они содержат оптоволоконные кабели связи). Гидравлические механизмы все еще используются, например, в землеройных машинах, но теперь они питаются от двигателя внутреннего сгорания или электрического насоса.

Также по-прежнему используется сжатый воздух, опять же производимый на месте. Пневматические механизмы менее мощные, но могут легко включаться и выключаться за десятые доли секунды и менее легко за миллисекунды.

Таким образом, ваши автоматы могут работать от подающих и сливных шлангов, подключенных к воде под высоким давлением, или от подающей трубы, подключенной к воздуху под высоким давлением (*), создаваемому большой паровой машиной, на расстоянии до нескольких километров. Если бы мы только через несколько десятилетий начали развивать электричество, я подозреваю, что большинство городов получили бы гидроэлектростанции.

(*) обратная труба для воздуха необязательна, но может снизить уровень шума.

PS Меня всегда поражало то, что если бы Бэббидж когда-либо встретил человека, который разбирался в пневматике, возможно, он смог бы построить двоичный пневматический компьютер, работающий где-то между 10 Гц и 1 кГц за свою жизнь. Тогда ход истории был бы совсем другим!