Первая паровая машина: изобретение ее двигателя и принцип работы

Понятие

Паровая машина состоит из тепловой машины внешнего сгорания, которая, используя энергию водяного пара, создает механическое движение поршня, который, в свою очередь, вращает вал. Мощность паровой машины обычно измеряется в ваттах.

История изобретения

История изобретения паровых машин связана со знаниями древнегреческой цивилизации. Произведениями этого времени долгое время никто не пользовался. В 16 веке была предпринята попытка создать паровую турбину. Над этим в Египте работал турецкий физик и инженер Такиюддин аш-Шами.

Интерес к этой проблеме вновь возник в XVII в. В 1629 году Джованни Бранка предложил свой вариант паровой турбины. Однако изобретения теряли много энергии. Другие разработки требовали соответствующих экономических условий, которые появятся позднее.

Первым изобретателем паровой машины был Дени Папен. Изобретение представляло собой цилиндр с поршнем, идущим вверх по пару и вниз по его утолщению. Устройства Савери и Ньюкомена (1705 г.) имели одинаковый принцип действия. Оборудование использовалось для откачки воды из шахт по добыче полезных ископаемых.

Уатту наконец удалось усовершенствовать устройство в 1769 году.

Еще до нашей эры

История создания паровой машины начинается в первые века до нашей эры. Герой Александрийский описал механизм, который начинал работать только при воздействии пара. Устройство представляло собой шар, на котором закреплялись сопла. Пар выходил по касательной из сопел, заставляя двигатель вращаться. Это было первое устройство, которое работало с паром.

Создателем паровой машины (точнее, турбины) является Таги ад-Диноме (арабский философ, инженер и астроном). Его изобретение стало широко известно в Египте в 16 веке. Механизм был устроен следующим образом: потоки пара шли прямо в механизм с лопастями, а при падении дыма лопасти вращались. Нечто подобное предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. Главным недостатком всех этих изобретений был чрезмерный расход пара, что в свою очередь требовало огромного количества энергии и было нецелесообразно. Разработка была приостановлена, так как тогдашних научно-технических знаний человечества было недостаточно. Также полностью отсутствовала потребность в подобных изобретениях.

Разработки

До XVII века создание паровой машины было невозможно. Но как только планка уровня человеческого развития взлетела вверх, тут же появились первые экземпляры и изобретения. Хотя в то время их никто не воспринимал всерьез. Так, например, в 1663 году английский ученый опубликовал в печати проект своего изобретения, которое он установил в замке Реглан. Его устройство использовалось для подъема воды на стены башен. Однако, как и все новое и неизведанное, этот проект был принят с колебаниями, а спонсоров для его дальнейшего развития не нашлось.

История создания паровой машины начинается с изобретения паровой машины. В 1681 году французский ученый Дени Папен изобрел устройство, откачивающее воду из шахт. Сначала в качестве движущей силы использовался порох, позже его заменили водяным паром. Так родилась паровая машина. Большой вклад в ее усовершенствование внесли ученые из Англии Томас Ньюкомен и Томас Северен. Неоценимую помощь оказал и русский изобретатель-самоучка Иван Ползунов.

Неудавшаяся попытка Папена

Далекая в то время от совершенства атмосферная паровая машина привлекла особое внимание в области кораблестроения. Последние сбережения Д. Папен потратил на покупку небольшого корабля, на котором намеревался установить водоподъемную паровую атмосферную машину собственного производства. Механизм действия заключался в том, что при падении с высоты вода начинала вращать колеса.

Изобретатель провел свои испытания в 1707 году на реке Фульда. Много людей собралось, чтобы посмотреть на чудо: лодку, плывущую по реке без парусов и весел. Однако во время испытаний произошла катастрофа: взорвался двигатель и погибло несколько человек. Власти рассердились на незадачливого изобретателя и запретили ему любые работы и проекты. Корабль был захвачен и уничтожен, а сам Папен через несколько лет умер.

Изобретения Томаса Ньюкомена

Более успешным с точки зрения дивидендов оказался английский Newcomen. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Савери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. От них он взял все лучшие идеи.

Уже в 1712 году в сотрудничестве с мастером по стеклу и сантехнике Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.

Вкратце пояснить созданную модель можно так:

• В конструкции сочетались вертикальный цилиндр и поршень, как у Папена.
• Создание пара происходило в отдельном котле, работавшем по принципу машины Савери.
• Герметичность в паровом цилиндре достигалась благодаря обшивке, которой был покрыт поршень.

Установка Ньюкомена добывала воду из шахт с помощью атмосферного давления. Машина отличалась солидными габаритами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовалась в шахтах полвека. Это даже позволило вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за затопления грунтовыми водами.

В 1722 году творение Ньюкомена доказало свою состоятельность, откачав воду с корабля в Кронштадте всего за две недели. Система ветряных мельниц могла бы сделать это за год.

Поскольку машина была основана на более ранних версиях, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы попытались применить изобретение к движению автомобиля, но безуспешно. На этом история изобретения паровых машин не закончилась.

Изобретение Уатта

Первым, кто изобрел компактный по размерам, но достаточно мощный компьютер, стал Джеймс Уатт. Паровая машина была первой в своем роде. Механик из Университета Глазго в 1763 году начал ремонтировать паровую машину Ньюкомена. В результате ремонта понял как снизить расход топлива. Для этого необходимо было держать цилиндр в постоянно нагретом состоянии. Однако паровая машина Уатта не могла быть готова, пока не была решена проблема конденсации пара.

Решение пришло, когда механик проходил мимо прачечных и заметил клубы пара, выходящие из-под крышек котлов. Он понял, что пар — это газ, и ему нужно перемещаться в цилиндре с пониженным давлением.

Запечатав внутреннюю часть парового цилиндра пропитанной маслом пеньковой веревкой, Уатт смог предотвратить атмосферное давление. Это был большой шаг вперед.

В 1769 году механик получил патент, в котором говорилось, что температура двигателя в паровой машине всегда будет равна температуре пара. Однако дела незадачливого изобретателя шли не так гладко, как ожидалось. Он был вынужден заложить долговой патент.

В 1772 году он познакомился с Мэтью Болтоном, богатым промышленником. Он купил и вернул патенты Уатта. Изобретатель вернулся к работе при поддержке Болтона. В 1773 году паровая машина Уатта была испытана и показала, что потребляет гораздо меньше угля, чем ее аналоги. Через год производство их автомобилей началось в Англии.

В 1781 году изобретателю удалось запатентовать свое очередное творение — паровую машину для привода промышленных машин. Со временем все эти технологии позволят двигать паровозы и корабли с помощью пара. Это полностью изменит жизнь человека.

Одним из людей, изменивших жизнь многих людей, был Джеймс Уатт, чей паровой двигатель ускорил технический прогресс.

Ошибка

Пароход Папена имел следующий принцип работы. На дно цилиндра нужно было налить небольшое количество воды. Под самим цилиндром располагалась жаровня, служившая для подогрева жидкости. Когда вода закипела, образовавшийся пар, расширяясь, приподнял поршень. Воздух выталкивался из пространства над поршнем через специально оборудованный клапан. После того, как вода закипела и начал падать пар, нужно было снять жаровню, закрыть вентиль для удаления воздуха и охладить стенки цилиндра холодной водой. Благодаря таким действиям пар в цилиндре конденсировался, под поршнем образовывался вакуум, и за счет силы атмосферного давления поршень возвращался на прежнее место. При его движении вниз совершалась полезная работа. Однако, КПД паровой машины Папена был отрицательным. Паровая машина была чрезвычайно расточительна. А самое главное, он был слишком сложен и неудобен в использовании. Поэтому изобретение Папена изначально не имело будущего.

Последователи

Однако на этом история создания паровой машины не закончилась. Следующим, уже гораздо более успешным, чем Папен, был английский ученый Томас Ньюкомен. Он долго изучал работы своих предшественников, акцентируя внимание на слабых сторонах. И взяв лучшее из своего труда, он создал свой аппарат в 1712 году. Новая паровая машина (показанная на фото) была устроена следующим образом: использовался цилиндр, находившийся в вертикальном положении, а также поршень. Это Ньюкомен взял из произведений Папена. Однако в другом котле уже образовался пар. Вокруг поршня закреплялась целая обшивка, что значительно повышало герметичность внутри парового цилиндра. Эта машина также была пароатмосферной (вода поднималась из шахты с помощью атмосферного давления). Основными недостатками изобретения были его громоздкость и малоэффективность – машина «съедала» большое количество угля. Однако оно принесло гораздо больше пользы, чем изобретение Папена. Поэтому его использовали в подземельях и шахтах почти пятьдесят лет. Его использовали для откачки грунтовых вод, а также для сушки кораблей. Томас Ньюкомен пытался переделать свою машину, чтобы ее можно было использовать для движения. Однако все его попытки оказались тщетными. Томас Ньюкомен пытался переделать свою машину, чтобы ее можно было использовать для движения. Однако все его попытки оказались тщетными. Томас Ньюкомен пытался переделать свою машину, чтобы ее можно было использовать для движения. Однако все его попытки оказались тщетными.

Следующим ученым, заявившим о себе, был Д. Халл из Англии. В 1736 году он представил миру свое изобретение: атмосферную паровую машину, в которой в качестве двигателя использовались гребные колеса. Его развитие было более успешным, чем у Папена. Немедленно несколько таких кораблей были освобождены. Они в основном использовались для буксировки барж, кораблей и других судов. Однако надежность атмосферной паровой машины не внушала доверия и в качестве главного двигателя корабли снабдили парусами.

И хотя Халлу повезло больше, чем Папену, его изобретения постепенно теряли актуальность и были заброшены. Все-таки у атмосферных паровых машин того времени было много специфических недостатков.

История создания паровой машины в России

Следующий прорыв произошел в Российской империи. В 1766 году на металлургическом заводе в Барнауле была создана первая паровая машина, подававшая воздух в плавильные печи с помощью специальных мехов. Его создателем был Иван Иванович Ползунов, которому за заслуги перед Родиной даже было присвоено звание офицера. Изобретатель представил начальству чертежи и планы «пожарной машины», способной управлять мехами.

Однако судьба сыграла с Ползуновым злую шутку: через семь лет после того, как его проект был принят и машина собрана, он заболел и умер от чахотки, всего за неделю до начала испытаний своего двигателя. Однако его указаний было достаточно, чтобы запустить двигатель.

Итак, 7 августа 1766 года паровая машина Ползунова была запущена и загружена. Однако в ноябре того же года он сломался. Причиной оказались слишком тонкие стенки котла, не предназначенные для загрузки. Также изобретатель написал в своей инструкции, что этот котел можно использовать только во время испытаний. Изготовление нового котла легко окупилось бы, потому что КПД паровой машины Ползунова был положительным. За 1023 часа работы с его помощью было переплавлено более 14 фунтов серебра!

Но, несмотря на это, ремонтировать механизм никто не стал. Паровая машина Ползунова более 15 лет пылилась на складе, а мировая промышленность не стояла на месте и развивалась. А потом его полностью разобрали на запчасти. Видимо, в то время Россия еще не дошла до паровых машин.

Требования времени

Между тем жизнь не останавливалась. И человечество постоянно думало о создании механизма, который позволял бы не зависеть от капризной природы, а управлять самой судьбой. Все они хотели как можно скорее покинуть парус. Поэтому вопрос о создании парового механизма постоянно витал в воздухе. В 1753 году в Париже состоялось соревнование между ремесленниками, учеными и изобретателями. Академия наук объявила награду тем, кто сможет создать механизм, способный заменить энергию ветра. Но, несмотря на то, что в конкурсе участвовали такие умы, как Л. Эйлер, Д. Бернулли, Кантон де Лакруа и другие, толкового предложения никто не внес.

Прошли годы. А промышленная революция охватила все новые и новые страны. Превосходство и лидерство среди других держав неизменно доставалось Англии. В конце XVIII века именно Великобритания стала создателем крупной промышленности, благодаря чему завоевала звание мирового монополиста в этой отрасли. Вопрос о механическом двигателе с каждым днем ​​становился все более актуальным. И такой двигатель был создан.

Первая паровая машина в мире

1784 год стал для Англии и для всего мира поворотным пунктом промышленной революции. И ответственным за это человеком был английский механик Джеймс Уатт. Созданная им паровая машина стала величайшим открытием века.

Джеймс Уатт несколько лет изучал чертежи, устройство и принципы работы атмосферных паровых двигателей. И на основании всего этого сделал вывод, что для работоспособности двигателя необходимо уравнять температуры воды в цилиндре и пара, поступающего в механизм. Основным недостатком атмосферных паровых машин была постоянная необходимость охлаждать цилиндр водой. Это было дорого и неудобно.

Новая паровая машина была спроектирована иначе. Так, цилиндр был заключен в специальную паровую рубашку. Таким образом, Уатт достиг своего состояния постоянного тепла. Изобретатель создал специальную емкость, погружаемую в холодную воду (конденсатор). К нему присоединялся цилиндр с трубкой. Когда пар выходил из цилиндра, он по трубе поступал в конденсатор и там снова превращался в воду. Работая над совершенствованием своей машины, Уатт создал вакуум в конденсаторе. Таким образом, весь пар, выходящий из цилиндра, конденсировался в нем. Благодаря этому новшеству значительно увеличился процесс расширения пара, что, в свою очередь, позволило извлекать гораздо больше энергии из того же количества пара. Это была вершина успеха.

Изменил создатель паровой машины и принцип подачи воздуха. Теперь пар сначала попадал под поршень, поднимая его, а затем собирался над поршнем, опуская его. Таким образом, стали работать оба хода поршня в механизме, что раньше было даже невозможно. А расход угля на одну лошадиную силу был в четыре раза меньше, чем, соответственно, у атмосферных паровых машин, чего и пытался добиться Джеймс Уатт. Паровая машина очень быстро завоевала сначала Великобританию, а затем и весь мир.

«Шарлотта Дандас»

После того, как весь мир был поражен изобретением Джеймса Уатта, началось широкое использование паровых машин. Так, в 1802 году в Англии появилось первое судно на пару — судно «Шарлотта Дандас». Его создателем является Уильям Симингтон. Судно использовалось в качестве буксировщика барж по каналу. Роль двигателя на корабле выполняло гребное колесо, установленное на корме. Корабль успешно прошел испытания с первого раза: за шесть часов отбуксировал две огромные баржи на 18 миль. При этом ему сильно мешал встречный ветер. Но он справился.

И все же отложили, так как опасались, что из-за сильных волн, которые создавались под гребным колесом, берега канала размоет. Кстати, на испытаниях «Шарлотты» присутствовал человек, которого сегодня весь мир считает создателем первого парохода.

Первый пароход в мире

Английский кораблестроитель Роберт Фултон с юности мечтал о пароходе. И вот его мечта сбылась. Ведь изобретение паровых машин стало новым толчком в судостроении. Вместе с американским посланником Р. Ливингстоном, взявшимся за материальную сторону проблемы, Фултон занялся проектом корабля с паровой машиной. Это было сложное изобретение, основанное на идее гребного двигателя. Бляшки, имитирующие множество весел, были разложены рядами по бортам корабля. При этом пластины время от времени мешали друг другу и ломались. Сегодня мы легко можем сказать, что такого же эффекта можно добиться всего тремя-четырьмя плитками. Но с точки зрения науки и техники того времени увидеть это было не реально. Следовательно.

В 1803 году миру было представлено изобретение Фултона. Пароход медленно и равномерно двигался по Сене, привлекая внимание и воображение многих парижских ученых и деятелей. Однако наполеоновское правительство отвергло проект, и недовольные судостроители были вынуждены искать счастья в Америке.

А в августе 1807 года первый в мире пароход по имени Клермонт, в котором была задействована мощнейшая паровая машина (фото представлено), пересек Гудзонов залив. Многие тогда просто не верили в успех.

Claremont совершил свой первый рейс без груза и без пассажиров. Никто не хотел путешествовать на борту огнедышащего корабля. Но уже на обратном пути появился первый пассажир — местный фермер, заплативший за билет шесть долларов. Он стал первым пассажиром в истории пароходства. Фултон был так тронут, что дал смельчаку пожизненно бесплатно пользоваться всеми его изобретениями.

Принцип действия

Для работы всей системы необходим паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, заставляя механические части двигаться.

Принцип действия лучше всего изучить на следующей иллюстрации.

Если не красить детали, то работа паровой машины заключается в преобразовании энергии пара в механическое движение поршня.

Коэффициент полезного действия

КПД паровой машины определяется отношением полезной механической работы к количеству затраченной теплоты, содержащейся в топливе. Энергия, которая выделяется в окружающую среду в виде тепла, не учитывается.

КПД паровой машины измеряется в процентах. Практический КПД составит 1-8%. При наличии конденсатора и расширении проточного тракта показатель может увеличиться до 25%.

Преимущества

Основным преимуществом парового оборудования является то, что котел может использовать в качестве топлива любой источник тепла, как уголь, так и уран. Это существенно отличает его от двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от типа последнего требуется определенный вид топлива.

История изобретения паровых двигателей показала преимущества, которые заметны и сегодня, поскольку ядерная энергия может быть использована в качестве аналога пара. Сам по себе ядерный реактор не может преобразовать свою энергию в механическую работу, но он способен генерировать большое количество тепла. Затем он используется для производства пара, который приводит в движение автомобиль. Аналогичным образом можно использовать солнечную энергию.

Паровозы хорошо работают на больших высотах. На эффективность их работы не влияет низкое атмосферное давление в горах. Паровозы до сих пор используются в горах Латинской Америки.

Более новые версии паровозов, работающих на сухом паре, используются в Австрии и Швейцарии. Они показывают высокую эффективность благодаря множеству усовершенствований. Они не требовательны в обслуживании и в качестве топлива потребляют легкие фракции нефти. По экономическим показателям они сопоставимы с современными электровозами. При этом паровозы значительно легче своих дизельных и электрических собратьев. Это большое преимущество в гористой местности.

Недостатки

К недостаткам можно отнести, в первую очередь, низкий КПД. Добавьте к этому громоздкий дизайн и низкую скорость. Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.

Применение

Уже известно, кто изобрел паровую машину. Где они использовались, пока неясно. До середины 20 века в промышленности использовались паровые машины. Они также использовались для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы, на которых работали паровые машины:

• сахар;
• соответствовать;
• бумажная фабрика;
• текстиль;
• предприятия пищевой промышленности (в некоторых случаях).

Паровые турбины также включены в это оборудование. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% электроэнергии в мире вырабатывается паровыми турбинами.

В свое время было создано несколько видов транспорта, приводимого в движение паровой машиной. Некоторые не прижились из-за нерешенных вопросов, а другие продолжают функционировать и сегодня.

Паровой транспорт:

• машина;
• трактор;
• экскаватор;
• самолет;
• локомотив;
• лодка;
• трактор.

Такова история изобретения паровых машин. Кратко рассмотрим удачный пример гоночного автомобиля Serpolle, созданного в 1902 году. На нем был установлен мировой рекорд скорости, который составил 120 км в час на суше. Именно поэтому паровые автомобили были конкурентоспособны по отношению к своим электрическим и бензиновым аналогам.

Так, в США в 1900 году было произведено больше всего паровых машин. Они встречались на дорогах вплоть до тридцатых годов ХХ века.

Большинство этих транспортных средств стали непопулярными после появления двигателя внутреннего сгорания, эффективность которого намного выше. Такие машины были дешевле, легче и быстрее.

Типы двигателей

Двигатели бывают двух основных типов:

• двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) сжигают топливо в одном месте и производят энергию в другой части того же двигателя;
• двигатели внутреннего сгорания (как и автомобильные двигатели) сжигают топливо и вырабатывают мощность в одном месте (в автомобиле это все происходит в цилиндрах из высокопрочного металла).

Оба типа двигателей полагаются на тепловую энергию, которая заставляет газ расширяться, а затем охлаждаться.

Чем больше разница температур (между более горячим и более холодным газом), тем лучше будет работать двигатель.

Стимпанк как веяние эпохи паровых машин

Говоря о паровых машинах, хочется отметить популярное направление – стимпанк. Термин состоит из двух английских слов: «пара» и «протест». Стимпанк — жанр научной фантастики, действие которого происходит во второй половине 19 века в викторианской Англии. Этот период истории часто называют Эпохой пара.

Все произведения имеют отличительную черту: они рассказывают о жизни второй половины XIX века, а по стилю повествования напоминают роман Герберта Уэллса «Машина времени». Сюжеты описывают городские пейзажи, общественные здания, технику. Особое место отведено дирижаблям, старинным автомобилям, странным изобретениям. Все металлические детали скреплялись заклепками, так как сварка еще не применялась.

Термин «стимпанк» возник в 1987 году. Его популярность связана с появлением романа «Машина различий». Он был написан в 1990 году Уильямом Гибсоном и Брюсом Стерлингом.

В начале 21 века в этом направлении было выпущено несколько известных фильмов:

• «Машина времени»;
• «Лига выдающихся джентльменов»;
• «Ван Хельсинг».

Предшественниками стимпанка являются работы Жюля Верна и Григория Адамова. Интерес к этому направлению время от времени проявляется во всех сферах жизни, от кино до повседневной одежды.

Готовы ли паровые машины к эпическому возвращению?

когда-то паровая машина господствовала сначала в поездах и тяжелых тракторах, как вы знаете, а со временем и в автомобилях. Сегодня это трудно понять, но на рубеже 20-го века более половины автомобилей в США работали на паре. Паровая машина была настолько усовершенствована, что в 1906 году паровая машина под названием «Ракета Стэнли» даже установила рекорд наземной скорости — бешеная скорость 127 миль в час!

Теперь вы можете подумать, что паровой двигатель был успешным только потому, что двигателей внутреннего сгорания (ДВС) еще не существовало, но на самом деле паровые двигатели и автомобили с ДВС разрабатывались одновременно. Поскольку инженеры уже имели 100-летний опыт работы с паровыми двигателями, паровой двигатель имел огромное преимущество. В то время как ручные двигатели ломали руки незадачливым операторам, к 1900 году паровые двигатели были полностью автоматизированы, и без сцепления или коробки передач (пар обеспечивает постоянное давление, в отличие от хода поршня) двигатель внутреннего сгорания), очень прост в эксплуатации. Единственная оговорка — нужно было подождать несколько минут, пока котел нагреется.

Однако через несколько лет появится Генри Форд и все изменит. Хотя паровой двигатель технически превосходил двигатель внутреннего сгорания, он не мог сравниться по цене с серийными Фордами. Производители паровых автомобилей пытались переключиться и продавать свои автомобили как предметы роскоши премиум-класса, но к 1918 году Ford Model T был в шесть раз дешевле, чем Steanley Steamer (самый популярный паровой автомобиль в то время). С появлением электрического стартера в 1912 году и постоянным повышением эффективности двигателя внутреннего сгорания паровой двигатель вскоре исчез с наших дорог.

Паровые двигатели нашего времени

Инновационная энергия. NanoFlowcell® в настоящее время является самой инновационной и мощной системой накопления энергии для мобильных и стационарных приложений. В отличие от обычных батарей, nanoFlowcell® работает с жидкими электролитами (bi-ION), которые можно хранить отдельно от самой ячейки. Выхлоп автомобиля с этой технологией представляет собой водяной пар.

Как и в обычной проточной ячейке, положительно и отрицательно заряженные жидкости-электролиты хранятся отдельно в двух резервуарах и, как в обычной проточной ячейке или топливной ячейке, прокачиваются через преобразователь (фактический элемент системы nanoFlowcell) по отдельным контурам.

Здесь две электролитные цепи разделены только проницаемой мембраной. Ионный обмен происходит, как только положительный и отрицательный растворы электролита пересекаются с обеих сторон мембраны преобразователя. Это преобразует химическую энергию, связанную в биоионе, в электричество, которое затем напрямую доступно потребителям электроэнергии.

Как и в водородных транспортных средствах, «выхлоп» электромобилей nanoFlowcell представляет собой водяной пар. Но являются ли выбросы водяного пара будущих электромобилей экологически безопасными?

Критики электрической мобильности все чаще ставят под сомнение экологичность и устойчивость альтернативных источников энергии. Для многих электромобили являются посредственным компромиссом между вождением с нулевым уровнем выбросов и экологически вредными технологиями. Обычные литий-ионные или металлогидридные батареи не являются ни устойчивыми, ни экологически безопасными ни при производстве, ни при использовании, ни при переработке, даже если реклама предполагает чистую «электрическую мобильность».

nanoFlowcell Holdings также часто спрашивают об устойчивости и совместимости с окружающей средой технологии nanoFlowcell и биоионных электролитов. Как сама проточная наноячейка, так и растворы электролитов bi-ION, необходимые для ее питания, производятся экологически безопасным способом из экологически чистого сырья. При эксплуатации технология nanoFlowcell совершенно нетоксична и никак не вредит здоровью. Состоящий из водного раствора с низким содержанием солей (органические и минеральные соли, растворенные в воде) и фактических энергоносителей (электролитов), Bi-ION также является экологически безопасным при использовании и переработке.

Как работает привод nanoFlowcell в электромобиле? Как и в бензиновом автомобиле, в электромобиле с нанопроточной ячейкой расходуется раствор электролита. Внутри наноруки (настоящая проточная ячейка) положительно и отрицательно заряженный раствор электролита прокачивается через клеточную мембрану. Реакция – ионный обмен – происходит между положительно и отрицательно заряженными растворами электролитов. Таким образом, химическая энергия, содержащаяся в биионах, высвобождается в виде электричества, которое затем используется для привода электродвигателей. Это происходит всякий раз, когда электролиты перекачиваются через мембрану и вступают в реакцию. В случае привода QUANTiNO с нанопроточной ячейкой одного резервуара с жидким электролитом хватает более чем на 1000 километров.

Какие «отходы» производит электромобиль с нанопроточной ячейкой? В автомобиле с обычным двигателем внутреннего сгорания при сгорании ископаемого топлива (бензина или дизельного топлива) образуются опасные выхлопные газы, в основном двуокись углерода, оксиды азота и двуокись серы, накопление которых было определено многими исследователями как причина изменение климата изменение. Однако единственные выбросы, выбрасываемые транспортным средством nanoFlowcell во время движения, почти как у транспортного средства с водородным двигателем, почти полностью состоят из воды.

После ионного обмена в наноячейке химический состав раствора электролита bi-ION практически не изменился. Он больше не является реактивным и поэтому считается «израсходованным», поскольку его нельзя перезарядить. Поэтому для мобильных применений технологии nanoFlowcell, таких как электромобили, было принято решение микроскопически испарять и высвобождать растворенный электролит во время движения транспортного средства. На скоростях выше 80 км/ч контейнер с остаточным электролитом опорожняется через форсунки с очень тонким распылением с помощью генератора, приводимого в действие от привода. Электролиты и соли предварительно механически фильтруют.

Преимуществом данного технического решения является то, что бак автомобиля опорожняется при обычной езде и может быть легко и быстро пополнен без необходимости подкачки.

Альтернативное, несколько более сложное решение — собрать отработанный раствор электролита в отдельную емкость и отправить на переработку. Это решение предназначено для аналогичных приложений с наноячейками со стационарным потоком.

Однако сейчас многие критики предполагают, что тип водяного пара, который выделяется при преобразовании водорода в топливных элементах или при испарении электролитной жидкости в случае нанотрубки, теоретически является парниковым газом, который может повлиять на изменение климата. Как возникают эти слухи?

Мы рассматриваем выбросы водяного пара с точки зрения их экологической значимости и задаемся вопросом, насколько больше водяного пара можно ожидать от широкого использования транспортных средств с наноэлементами по сравнению с традиционными технологиями вождения, и могут ли эти выбросы H 2 O иметь негативное воздействие на окружающую среду.

Наиболее важные природные парниковые газы, наряду с CH4, O3 и N2O, водяным паром и CO2, углекислым газом и водяным паром, невероятно важны для поддержания глобального климата. Солнечное излучение, достигающее земли, поглощается и нагревает землю, которая, в свою очередь, излучает тепло в атмосферу. Однако большая часть этого излучаемого тепла уходит в космос из атмосферы Земли. Углекислый газ и водяной пар обладают свойствами парниковых газов, образуя «защитный слой», препятствующий выходу всего лучистого тепла в космос. В естественном контексте этот парниковый эффект имеет решающее значение для нашего выживания на Земле: без углекислого газа и водяного пара атмосфера Земли была бы враждебной для жизни.

Парниковый эффект становится проблематичным только тогда, когда непредсказуемое вмешательство человека нарушает естественный цикл. Когда, помимо естественных парниковых газов, люди вызывают более высокую концентрацию парниковых газов в атмосфере за счет сжигания ископаемого топлива, это увеличивает потепление атмосферы Земли.

Являясь частью биосферы, люди своим существованием неизбежно влияют на окружающую среду и, следовательно, на климатическую систему. Неуклонный рост населения Земли после каменного века и основание поселений несколько тысяч лет назад, связанное с переходом от кочевого образа жизни к земледелию и животноводству, уже сказались на климате. Почти половина первоначальных лесов и джунглей в мире была вырублена для сельскохозяйственных целей. Леса, наряду с океанами, являются основными производителями водяного пара.

Водяной пар является основным поглотителем теплового излучения в атмосфере. Водяной пар составляет в среднем 0,3 % по массе атмосферы, углекислый газ только 0,038 %, что означает, что водяной пар составляет 80 % массы парниковых газов в атмосфере (около 90 % по объему) и составляет от 36 до 66 % важнейший парниковый газ, обеспечивающий наше существование на земле.

Таблица 3: Атмосферная доля наиболее важных парниковых газов и абсолютная и относительная доля повышения температуры (Zittel)

Наряду с естественными водяными парами крупнейшие антропогенные — антропогенные — выбросы водяных паров образуются в результате искусственного орошения (ИПИК). Однако повсеместная вырубка лесов значительно снижает выделение водяного пара, что будет иметь гораздо больший эффект.

Антропогенный вклад водяного пара в расчетах климатической модели не учитывается, так как по сравнению с естественными выбросами за счет испарения эта доля составляет всего 0,005 %, что делает его неактуальным. Это контрастирует с антропогенными выбросами углекислого газа, которые составляют 4% и оказывают значительное влияние на естественный цикл.

Следует также сказать, что доля CO 2 , образующегося в результате дорожного движения во всем мире, составляет в среднем около 11%. Что изменилось бы, если бы автомобили выбрасывали больше водяного пара, чем CO 2 ?

Были сделаны следующие оценки абсолютного количества выбросов водяного пара в Германии:

Исходя из среднегодового количества осадков около 780 мм и площади ок. 360 000 км 2 , объем осадков около 280 млрд тонн. Естественные выбросы водяного пара на км 2 в год составляют порядка 0,35 x 10 6 тонн. Исходя из общей площади, это соответствует примерно 125 000 х 106 тонн водяного пара в год. Это было рассчитано с учетом того, что ок. 50% от общего количества осадков испаряется, а остальные 50% попадают в море через подземные и поверхностные воды.

Если бы все 45,1 миллиона легковых автомобилей, зарегистрированных в Германии, были преобразованы в nanoFlowcell, средний пробег составил бы около 1000 литров электролита на одно транспортное средство, которое испаряется каждый год, выделяя около 0,01% водяного пара, который естественным образом производится в Германии. С глобальной точки зрения большое количество естественного испарения, особенно из океанов и лесов, делает общую долю антропогенного водяного пара абсолютно ничтожной (менее 0,005%).

Кроме того, парниковый эффект водяного пара зависит главным образом от его концентрации в различных слоях атмосферы. Чем дальше от поверхности земли, тем сильнее влияние парниковых газов. Ученые согласны с тем, что потенциал парниковых газов антропогенного водяного пара у земли следует считать незначительным. С другой стороны, водяной пар в стратосфере, куда он выбрасывается самолетами, представляет собой дополнительный скрытый потенциал парниковых газов.

Мы утверждаем, что QUANTiNO и QUANT FE не являются безэмиссионными: они по-прежнему производят воду как «отходы» (а также небольшое количество переработанного электролита и солей), но даже если все транспортные средства в мире будут преобразованы в устройства nanoFlowcell, в результате выбросы водяного пара не будут способствовать изменению климата. Они будут производить меньше водяного пара, чем количество леса, вырубаемого год за годом.

Как экологически чистый и устойчивый источник энергии, nanoFlowcell внесет положительный вклад в глобальный климат. Каждый электромобиль с наноячейками потока, который заменяет обычный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, способствует снижению выбросов оксидов углерода, оксидов азота и диоксида серы.