Существует ли вечный нагревательный прибор, который никогда не сломается? Как можно утилизировать тепло открытого пламени в условиях жилой комнаты? Как своими руками собрать бесплатный комнатный светильник-обогреватель? Обо всём этом читайте в данной статье.
Простые природные материалы в той или иной форме продолжают свою «жизнь и работу» в качестве компонентов современных составов. Так, обычная глина прошла путь от бесплатного и общедоступного сырья для строительства первых домов до нано-компонента состава утепляющей краски (жидкого керамического утеплителя). В сыром виде ею обмазывали стены для утепления, потом стали формовать и обжигать — получились посуда и кирпич. С развитием сталеплавильного производства глину научились вспучивать — так появился керамзит и целый раздел науки — «Применение вспученных керамических материалов». В конце концов, её сформировали в шарики диаметром 0,02 мм с техническим вакуумом внутри. И везде глина была востребована благодаря своему основному свойству: в обожжённом виде (керамика) она эффективно аккумулирует тепло. Это ещё раз доказывает, что всё, что необходимо человеку для жизни, уже изобретено природой.
Возможно ли распределить тепло от огня
Ещё одно свойство керамики, производное от теплоёмкости — способность распределять тепло равномерно по всему объёму (кроме точки нагрева). Иными словами, если мы возьмём нечто керамическое (например, кирпич) и положим его на нечто горячее (например, газовую горелку), то произойдёт следующее:
- кирпич начнёт аккумулировать (утилизировать) тепло пламени горелки;
- температура будет равномерно распределяться по всему объёму кирпича и дойдёт до его граней;
- на плоскостях кирпича будет происходить теплообмен с окружающим воздухом;
- в итоге площадь теплообмена увеличится с площади языка пламени до площади всех плоскостей кирпича;
- при этом температура будет уменьшаться обратно-пропорционально площади поверхности (чем больше площадь, тем ниже температура).
Догадливый читатель, конечно, понял, что выше описан принцип работы русской печи . Наша задача — создать такой же эффективный прибор, но на базе свечки.
Как работает «вечный» обогреватель
При горении обычной свечи происходит следующее:
- разогретый горением воздух поднимается к потолку;
- под потолком он перемешивается с самым верхним слоем.
Из-за большой разницы температур (76 градусов) окружающий воздух не успевает перемешиваться с отработанными газами горения, и они интенсивно поднимаются к потолку. Образуется как бы столб горячего воздуха, который рассеивается вверху. Это тепло мы будем утилизировать при помощи «ловушки» из керамических куполов.
Из чего можно сделать нагревательный прибор
Итак, для постройки «чудо-микро-печки» нам понадобится:
- пламя
- обожжённая глина (керамика)
- металл
Область применения керамики ограничена лишь фантазией инженера. В данном случае нас интересуют только общедоступные дешёвые материалы, в частности, посуда. Не зря в старину пользовались в печи именно глиняными горшками — они подолгу держат тепло. Ассортимент керамических изделий бытового назначения в наши дни огромен, но мы остановимся на обычных цветочных горшках. Невзрачные с виду, они помогут нам решить проблему вспомогательного обогрева.
Второй компонент обогревателя — источник тепла. Первое, что приходит в голову для использования в помещении, это обычная свеча. Конечно, существуют самые разнообразные виды газовых и керосиновых горелок, но дешевизна и доступность для нас на первом месте. К тому же свеча не имеет срока годности и может храниться на холоде.
Третий компонент — рекордсмен по теплопроводности и аутсайдер по теплоёмкости — металл. Его свойство быстро нагреваться и отдавать тепло (малая теплоёмкость) сыграет нам на руку при создании теплового светильника.
Собираем тепловой светильник своими руками
Что понадобится:
- Горшки керамические (цветочные) трапециевидные с наружным диаметром дна 50, 100 и 150 мм по 1 шт. При этом меньший горшок должен быть ниже большого примерно на 25 мм.
- Шпилька с резьбой диаметром 6-12 мм. Она должна проходить через отверстия каждого горшка. При необходимости отверстия рассверлить до нужного диаметра сверлом по плитке.
- Шайбы под шпильку с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру дна наименьшего горшка — 20 шт. Гайки 7-8 шт.
- Каркас, подвес или подставка произвольной формы, удовлетворяющие описанным ниже техническим требованиям (условиям).
- По желанию — каминный герметик или негорючие (паронитовые) прокладки.
Порядок работы
1. Устанавливаем шпильку в отверстие наибольшего горшка и наворачиваем гайку снаружи.
2. Надеваем на шпильку внутри горшка несколько шайб, при необходимости фиксируем гайками.
3. Устанавливаем средний горшок на шпильку.
Внимание! Наружные грани меньших горшков должны находиться внутри купола больших на глубине 20-25 мм.
4. Фиксируем шайбами и гайками средний горшок.
5. Выставляем и фиксируем малый горшок.
6. Грани всех трёх куполов должны сходить внутрь ступенями 20-25 мм. Регулируем глубину посадки добавлением шайб и гаек.
7. Если расстояние от одного дна до другого ощутимо велико, заполняем его шайбами вразбежку — это даст большую теплопроводность стержня.
8. Устанавливаем конструкцию над свечой так, чтобы стержень шпильки располагался строго над пламенем на высоте 30-50 мм.
9. Дальнейшая регулировка производится опытным путём на основе наблюдений.
Использование прокладок и герметика. Нахваливая керамику, мы тактично обошли самый неудобный её недостаток — хрупкость (колкость). Даже полнотелый кирпич крошится, упав на бетон, что говорить и цветочных горшках. Собирая светильник, следует очень осторожно затягивать гайки — стоит немного перетянуть и стенка лопнет. Также есть риск случайного раскола при эксплуатации или в момент переноски. Твёрдый металл шпильки крошит керамику и может расколоть. Чтобы смягчить их контакт, используйте герметик или негорючие прокладки.
Какая будет польза от «горшкового» калорифера
На первый взгляд, конструкция предельно понятна, но доверия не вызывает. Следует сразу оговориться — не спешите выпиливать радиаторы парового отопления — наш светильник будет «подмастерьем», но не «мастером». Применение таких приборов в каждой комнате позволит снизить общую температуру подачи котла на несколько градусов совершенно бесплатно — и это уже результат!
Проведём примитивный теплотехнический расчёт на основе общедоступных данных и логики:
- Восковая свеча весом 120 грамм (диаметр 30 мм) содержит около 3 МДж энергии.
- Примерный срок горения такой свечи — 20 часов.
- За это время она выделяет примерно 140 кДж энергии, что составляет около 42,5 Вт.
- Парафиновые свечи дают больший эффект выделения тепловой энергии.
Подобрав максимально эффективную свечу, мы сможем добиться 50-55 Вт тепловой энергии на выходе, а это уже 10% мощности электрокалорифера в 500 Вт.
Внимание! Пожароопасность. Нагревательный элемент — открытое пламя. Светильник нельзя оставлять без присмотра.
Область применения
Элементарная конструкция на базе «копеечных» материалов будет служить долго при бережном обращении. Обогреватель не требует каких-либо условий для хранения, срока эксплуатации, профилактики или замены запчастей. Простой, как и всё гениальное, он станет опорой в лесных ночёвках или при отключении электричества, а также в экстремальных условиях.
- В местах, где нет электричества: палатки, землянки, убежища, авто, попавшее в метель.
- В местах, где есть электричество: небольшая, но приятная экономия на расходах при отоплении.
- Если собрать продуманный каркас, то над свечой можно подвесить небольшую ёмкость (котелок, кружку) и греть воду.
Вот такой простой и надёжный помощник получился. Он станет не только тёплым местом в вашем интерьере, но и интересным декоративным украшением.
Видео по теме
Сегодня свечи не так часто используются как когда-то. В нашей жизни с их помощью люди создают романтическую атмосферу, ароматизируют воздух или просто используют как элемент декора.
Но, многие специалисты утверждают, что ароматические свечи очень вредны для человека и не стоит их использовать очень часто. Они выделяют в воздух большое количество токсинов, поэтому у людей могут возникнуть проблемы со здоровьем.
Что же делать? Выбрать парафиновые или восковые свечи, чем они отличаются?
Парафиновые свечи — вред и польза
Парафиновые свечи при горении в воздух выделяют токсичные соединения — толуол и бензол. Бензол применяется в промышленности. На его основе производятся много различных продуктов: резина, пластмассы, синтетический каучук, краски, взрывчатые вещества, красители для тканей и некоторые медицинские препараты.
Бензол попадает в организм человека через дыхательные пути. Так люди страдают слабостью, нарушениями сна и головокружениями. Также если человек несколько лет вдыхает такое вредное вещество, то у него могут плохо работать печень и почки, развивается заболевания крови и костного мозга, нарушаются функции кровеносной и нервной систем. Вдобавок, возможно острое отравление.
Толуол — ароматическое соединение, из него получают бензол. Толуол также как и бензол попадает в организм человека через органы дыхания, иногда и через кожу. В большинстве случаев поражает нервную и кровеносную систему.
Стоит понимать, что парафиновые свечи достаточно вредны для организма человека, поэтому применять их нужно несколько раз в месяц. Не нужно сильно увлекаться данными свечками.
Если вы хотите создать приятный запах в квартире или просто полежать в ванне со свечами, то не затягивайте с этим делом. Несколько минут будет достаточно и так вы сможете защитить себя.
Восковые свечи — вред и польза
Восковые свечи полностью сделаны из натуральных веществ, они не причинят вред здоровью, даже, когда их горит огромное количество. В старину церковные свечи состояли из пчелиного воска, они горели ровно и не выделяли в воздух вредные вещества.
Сейчас на замену постепенно приходят ароматические свечи из воска с прополисом. Данные свечки не вредны для организма, а даже наоборот полезны.
Такие свечи часто используют для создания романтической обстановки, для снятия стресса, или в период эпидемий. Цена на них будет дороже, чем на свечи из парафина.
Сегодня популярность набирает соевый воск — он на 100% безопасен, дешевле пчелиного, не содержит химических веществ. Свечи из соевого воска легко перерабатываются или подкрашиваются.
Чем отличается восковая свеча от парафиновой, как их отличить?
Человек уже визуально может отличить данные виды свечей. Изделие из воска сделано из желтого оттенка, а парафиновые изделия — из белого или полупрозрачного.
- Если парафин резать, то он будет крошится, а воск режется ровно и легко.
- Восковые свечи не оставляют черного нагара.
- Если согнуть свечу, то парафиновая распадется на части, а восковая только изменит свою форму.
- При горении восковой свечи аромат может быть медовым, а свечи из парафина отдают резковатым запахом.
Восковые свечи — видео
Несмотря на то, что сейчас существует множество всяких горелок, плиток и обогревателей — до сих пор находятся рыболовы, которые обогревают зимнюю палатку парафиновыми свечами.
За всей кажущейся несерьёзностью такого подхода скрывается очень даже неплохой потенциал, ведь теплотворная способность парафина сравнима с таким же показателем у прочих нефтепродуктов. Составляет она 48 мегаджоулей , что даже чуть больше, чем у бензина (44 мДж). Ежели выражаться более-менее бытовым языком, оставив за кадром нудные физические выкладки, выйдет так, что килограмм парафина, сгорая в течение часа — даст столько же тепла, что и 13-киловаттная полупромышленная термопушка.
Теперь посчитаем всё тоже самое для одной парафиновой свечи. Для примера возьмём «икеевскую» (это свечки в виде шайбочек в стаканчиках из алюминиевой фольги).
Масса такой свечи примерно равна 12 граммам. Данное количество парафина будет в 83 раза «слабее» килограмма сего вещества — 157 ватт против 13 киловатт. Но мы, опять же, определили сию «тепловую мощь» с учётом того, что парафин полностью израсходуется за час. А время горения одной свечи (по заверениям производителя) составляет 4 часа . После элементарных расчётов становится очевидно, что выходная мощность одной «икеевской» свечи — 39 ватт .
У самой миниатюрной газовой плитки на одноразовых баллонах мощность не превышает 2-х киловатт, и для отопления палатки этого более чем достаточно. Отсюда вывод — чтобы соперничать с этой мощностью, нам потребуется ни много ни мало — 50 свечей .
Конечно, эта цифра — для хорошего — градусов под 25 — мороза за стенкой палатки. Именно при нём начинаешь долго гонять плитку на полной мощности. В более же «тёплую» погоду свечек может понадобиться вдвое меньше. А то и втрое, особенно, если наша цель — не столько обогрев палатки, сколько поддержание лунок в незамерзающем состоянии.
Но всё же рассмотрим вариант с 50-ю свечами — как максимально затратный. При компактном размещении все свечки займут площадь примерно 40 на 20 сантиметров — столько же, сколько и средняя по размеру плитка. С розжигом «свечной батареи» придётся малость повозиться.
На 8 часов рыбалки понадобится 100 штук свечей (это примерно 1,2 килограмма парафина).
В «пересчёте на рубли» выходят ещё более интересные цифры, особенно если сравнить парафин с тем же газом. В случае использования горелки — на 8 часов рыбалки понадобится 2 поллитровых баллона стоимостью по 80 рублей — это 160 рублей на всю рыбалку. Упаковка из 48 свечей стоит 130 рублей, две упаковки — 260 . Выходит так, что на газе мы сэкономим 100 рублей. Однако, свечи по сравнению с «голубым топливом» имеют неоспоримое преимущество — они не мёрзнут на морозе и могут быть зажжены при любой температуре. Ну и само собой — не требуют никакого дополнительного оборудования.
Оказывается, очищенный технический парафин марки П-2 по оптовым ценам стоит вполне сносно — 40-50 рублей за килограмм . И если бы существовала заправляемая горелка, работающая на парафине — потенциал этого топлива можно было бы раскрыть полностью. Тогда парафин стал бы хорошей альтернативой газу и бензину.
Но это тема отдельного разговора, выходящего за рамки данной статьи.
Свечи - молчаливые свидетели тайн, тихих дружеских бесед, интимных признаний. Они освещают не только дом, но и сознание, позволяя проникнуться аккордами удовольствия и уюта. Но только натуральные свечи из воска пчёл способны стать не только стильным элементом декора, отражающим наш вкус даже при свете дня. Восковые свечи обладают уникальными целительными свойствами!
Свеча: биография
Первые свечи начали изготавливать в древнем Египте, более 3тыс. лет назад, из жира животных и масляных рыб. Это были небольшие контейнеры с жидким жиром, куда опускался фитиль.
Римляне макали скрученный папирус в жир, который застывал и позволял материалу дольше гореть. Китайцы и японцы использовали для фитиля рисовую бумагу, а американские индейцы изготавливали свечи из сосновой смолы.
Свечи из воска пчёл появились в средние века. В отличие от жира, воск не давал копоти и неприятного запаха, горел ярко и ровно. Но пчелиный воск было сложно достать, стоил он дорого и применялся только для аристократии и церкви. В 1850 году из нефти и сланца изобрели парафин. Свечи стали доступны для любого кошелька. Однако использование парафиновых свечей оказалось небезопасным для здоровья человека.
Чем же вредны свечи из парафина?
Канцерогенные и токсичные, они при горении выделяют бензол и толуол. Бензол обладает сильным аллергическим действием. Яд общетоксического действия – толуол - вызывает отравления, эндокринные нарушения, снижает работоспособность, накапливается в клетках центральной нервной системы. Содержащийся в таких свечах диэтилфталат вызывает головокружение, нарушение ритма дыхания, головную боль, тошноту. А при частом воздействии поражает нервную и дыхательную системы и способствует образованию рака. Перечисленные вещества особо опасны для беременных и детей.
У парафиновых свечей много других недостатков:
При тушении коптят с тяжелым сильным запахом, неприятные и жирные на ощупь, горят быстро, неярко, их нельзя зажигать часто и использовать как освежитель воздуха.
Наилучшей альтернативой многим современным свечам из парафина являются свечи из настоящего пчелиного воска. Они не только безопасны, но и полезны!
Что такое пчелиный воск?
Пчелы вырабатывают воск особыми восковыми железами для постройки сот. В ячейках из воска насекомые выращивают своих деток и хранят мёд. Самый качественный воск получают из забруса - восковых крышечек, которыми запечатываются ячейки со зрелым мёдом. Перед откачкой мёда пасечник срезает эти крышечки. Воск этот – красивого жёлтого цвета и пахнет мёдом.
Пчелиный воск содержит более 300 различных соединений. В нем содержатся минеральные вещества, прополис, смолы, примесь цветочной пыльцы, витамин А, бетакаротин и др.
Воск встречается от светло-желтого до желто-бурого цвета и обладает характерным, очень приятным запахом. На срезе или на изломе он матовый с мелкокристаллической структурой.
Пчелиный воск твердеет при комнатной температуре, а при 38-40 ° С он становится мягким и способен принять любую форму. При 70-73 ° С воск становится жидким.
Зачем же нужны восковые свечи?
- 1. Натуральные свечи полезны для здоровья! Свечи из воска – это полностью натуральный, экологически чистый продукт. Они обладают целебной силой природы. При горении воск выделяет антимикробные ферменты, лечебные эфироносы – воздух в доме очищается. Особенно это полезно во время вспышки вирусного гриппа. Компоненты свечи уничтожают болезнетворные микробы и повышают иммунитет. Действие восковой свечи при проведении природной «ингаляции»:
- антимикробное,
- противовоспалительное,
- успокаивающее,
- согревающее,
- болеутоляющее,
- адсорбирующее.
Когда речь заходит о свече, то подсознательно сразу возникает аналогия с чем-то пренебрежимо малым, несущественным, предельно слабым и ни на что не способным. Это связано с исторически сложившейся традицией, сравнивать, например, яркость лампочек с яркостью свечи, или показывать мощь телескопа, который из Москвы “видит” свечу во Владивостоке. Особенно завораживающе на зрителей действует работа двигателя Стирлинга, который не только бодро вертится от воздуха нагретого свечой, но и дает электричество, от которого лампочка светится намного ярче этой же свечи.
Автору не удалось найти в интернете информацию о тепловой мощности обычной стеариновой или восковой свечи. Но в одном очень старом справочнике по физике сказано, что отдача тепла стеариновой свечи равна 80 ккал/час, а керосиновой лампы с плоским фитилем – 60 ккал/час. После перевода в общепринятые единицы получаем мощность свечи 93 Ватта, а керосиновой лампы – 70 Ватт. Именно эти цифры вызвали сначала недоумение, а затем недоверие, и послужили причиной данного исследования.
Теория
Чтобы нагреть какое-либо тело массой m, от температуры T 0 до температуры T 1 к нему нужно подвести тепловую энергию Q. Причем, чем больше масса, и чем больше разность температур, тем больше тепловой энергии понадобится для нагрева. Таким образом, можно написать:
Q = cm(T 1 -T 0) (1)
где c – удельная теплоемкость, отображает тот факт, что некоторые материалы нагреваются легко, а некоторые требуют очень больших затрат тепловой энергии.
С другой стороны, мы знаем, что конечная температура зависит от времени нагрева, причем, чем дольше нагревать, тем выше вероятность получить более высокую температуру. Это связано со скоростью подвода (поглощения) тепла или с мощностью, которая определяется так: P н = Q/t , где t – время нагрева. Поэтому получаем важное уравнение
P н t = cm(T 1 -T 0) или P н = cm(T 1 -T 0)/t (2)
в котором все величины могут быть измерены и вычислены. Следует заметить, что уравнение (2) характеризует мощность, поглощенную только нагреваемым телом, т.е. мощность нагрева. Если это уравнение переписать в следующем виде
T 1 = (P н /cm)t + T 0 , (3)
то получаем рекомендацию к действию: нужно через определенные промежутки времени измерять температуру нагреваемого тела, построить график зависимости температуры от времени нагрева и по тангенсу угла наклона полученной прямой вычислить мощность P, а через нее и Q, если это необходимо.
Но на самом деле линейная зависимость Т(t) наблюдается далеко не всегда. Все дело в том, что по мере увеличения температуры тело само начинает нагревать воздух и окружающие предметы. Т.е. с ростом температуры тела увеличиваются и потери тепла, и наконец наступает такой момент, когда скорость подвода тепла сравнивается со скоростью потерь, и температура тела больше не растет. Поэтому в общем случае зависимость Т(t) не будет линейной и уравнение (3) будет справедливо только при малых изменениях Т 1 и t.
Мощность потерь тоже пропорциональна разности температур и описывается уравнением, аналогичным уравнению (2) с той лишь разницей, что появляется знак минус. Поэтому можно записать:
P п = cm (T 1 -T 0)/t (4)
T 1 = - (P п /cm)t + T 0 (5)
Отсюда следует, что, наблюдая за процессом остывания, который тоже не будет линейным, мы получим информацию о мощности потерь тепловой энергии при соответствующей температуре тела. Уравнение (5) , также как и уравнение (3) , будет справедливо только при малых изменениях Т 1 и t.
Таким образом, тепловая мощность, которую мы отбираем у пламени свечи, равна сумме мощности, которую поглотило нагреваемое тело, и мощности, которую оно рассеяло в окружающее пространство, т.е. Р сумм = Р н +Р п. Но мы не учли еще ту часть тепловой мощности свечи, которая вообще не участвовала в нагреве тела. Поэтому можно говорить о коэффициенте полезного действия (КПД) процесса нагревания пламенем свечи, и определить его следующим образом:
КПД = (Р н +Р п)/Р общ (6)
Следует заметить, что КПД свечи существенно зависит от многих параметров процесса нагрева, даже от таких как наличие сквозняков или копоти от пламени на поверхности нагреваемого тела. Но самое главное, мы не знаем достоверно из чего сделана свеча. И, как следствие, не можем определить теплотворную способность как основных горючих материалов, входящих в состав свечи, так и тех добавок, которые могут радикально повлиять на процесс горения. Поэтому практический интерес представляет Р сумм, т.е. та тепловая мощность, которую можно отобрать у пламени свечи. Но эта мощность зависит как от режимов и способов подвода тепла к нагреваемому телу, так и от материалов и дизайна самой свечи. Поэтому этот параметр тоже может варьироваться в широких пределах и требует тщательного анализа в каждом конкретном случае.
Примерно оценить КПД процесса нагревания пламенем можно на основании экспериментов с нагревом на газовой горелке. В этом случае известна теплотворная способность газа и известен объем сгоревшего газа. Так, например, при мощности горелки 2840 Вт КПД процесса нагрева 2-х литрового чайника составляет 33%, а при мощности горелки 720 Вт – 58%. Учитывая то обстоятельство, что пламя свечи омывает нагреваемое тело под действием естественной конвекции (а газ из горелки выходит под давлением и, естественно, с большей скоростью), то можем рассчитывать на КПД свечи более 58%.
Эксперимент
В период с 21 апреля, по 6 мая 2011 года было выполнено 3 эксперимента в разных температурных условиях, с разными типами свечей и с разной теплоизоляцией нагреваемого тела.
Эксперимент №1. Температура воздуха 16 градусов в начале и 17 в конце эксперимента. В качестве пробного тела был использован стеклянный химический стаканчик массой 56 грамм, в котором находилось 100 миллилитров воды.
Температура воды измерялась ртутным термометром со шкалой от 0 до 110 градусов Цельсия через каждую минуту. Точность измерения температуры ± 0,2 градуса. Теплоизоляция не применялась. Свеча – китайская ароматическая (запах клубники) в алюминиевой чашечке. Кинетика нагрева и остывания представлена кривой 1 на Рис.1. Как следует из графика, относительная линейность зависимости Т(t) наблюдается только в самом начале процесса нагревания, а с повышением температуры происходит усиливающееся отклонение от линейности. Это проявление увеличивающихся потерь тепловой мощности.
На Рис.2 представлены результаты вычисления по формулам (2) и (4) поглощенной тепловой мощности и рассеянной в окружающее пространство. При температуре 30 градусов вода отбирает от пламени свечи 30 Ватт тепловой мощности, при температуре 60 градусов – 20 Ватт, причем, только 10 Ватт идет на нагрев, а остальные 10 Ватт рассеиваются.“Парад точек” в диапазоне 56 - 66 градусов обусловлен образованием пузырьков воздуха на ртутном шарике термометра. Поэтому в следующих экспериментах использовалась не водопроводная вода, а предварительно кипяченая и охлажденная до комнатной температуры
Эксперимент №2. Начальная температура воздуха в комнате 27 градусов и 26 конечная. В качестве пробного тела был использован жестяной стаканчик массой 32 грамма, в котором находилось 100 миллилитров воды. Сверху и сбоку стаканчик был теплоизолирован фольгированным пенополиуретановым ковриком толщиной 5 мм, который обычно применяется для теплоизоляции полов. Свеча тоже китайская только с ароматом жасмина. Визуально пламя этой свечи было больше и ярче, чем в предыдущем эксперименте. Кинетика нагрева и остывания представлена кривой 2 на Рис.1. Как следует из графиков, через 40 минут нагрева вода успешно вскипела, а процесс остывания до 35 градусов растянулся на 80 минут.
На Рис.3 приведены результаты вычислений, из которых следует, что в этом случае от пламени свечи можно получить мощность более 40 Ватт. Поскольку теплоизоляция не продемонстрировала безоговорочных преимуществ, то следующий эксперимент выполнялся по методике первого эксперимента.
Эксперимент №3. Температура воздуха в комнате на протяжении всего эксперимента не изменялась и составляла 22 градуса по Цельсию. Использовалась сувенирная свеча (новогодняя) еще советского производства. Кинетика нагрева и остывания представлена кривой 3 на Рис.1. Особенностью этой свечи было то, что в процессе горения расплавленный парафин вытекал из зоны горения. Таких циклов было три. После каждого цикла вытекания высота фитиля увеличивалась, и, естественно, увеличивалась и высота пламени. Таким образом, в процессе нагрева свеча разгоралась. Это хорошо видно на Рис.4 по минимумам на 5, 9 и 16 минуте эксперимента.
Максимальная мощность, которую удалось получить от этой свечи, составляла 50 Ватт. Для оценки КПД процесса нагрева пламенем были продолжены эксперименты с нагревом 2-литрового чайника на газовой горелке. На Рис.5 представлена зависимость КПД нагрева от скорости подачи газа. Возле соответствующих точек показана мощность горелки и время вскипания 2 литров воды. Монотонное падение КПД с ростом скорости подачи газа свидетельствует о том, что нагретый воздух, проходя с большей скоростью, не успевает отдавать тепло чайнику.
Интересно сопоставить результаты эксперимента №3 с результатами рис.5. Количество нагреваемой воды в 20 раз меньше (2л/100мл = 20), а время вскипания абсолютно одинаковое, 22 минуты. И средняя скорость нагрева тоже почти одинакова: 4,1град/мин для газовой горелки и 3,95 град/мин для свечи. Значит можно считать, что мощность свечи в 20 раз меньше мощности газовой горелки, т.е. 1180/20 = 59Вт. Таким образом, КПД нагрева пламенем свечи довольно высок (от 40/59 = 68% до 50/59 = 85%)
Неплохо согласуются и результаты эксперимента №2, хотя время вскипания несколько отличаются. А скорость нагрева у свечи даже выше, чем у горелки, 3,82 град/мин против 3,26 град/мин (до 80 градусов). Можно считать, что мощность свечи несколько меньше, чем 720/20 = 36Вт. Если взять среднее между 40 Ваттами в начале нагревания, и 20-ю в конце (Рис.3), то так оно и есть. И КПД в 83% (30/36 = 83%) вполне оправдан, так как стаканчик был теплоизолирован.
Выполненные эксперименты неожиданно дали ответ еще на один важный вопрос: “А какова тепловая мощность чашки с чаем, от которой двигатель Стирлинга тоже работает?” Ответ простой, если чашка емкостью 100 мл., то ее мощность естественно равна мощности потерь, т.е. примерно 15 Ватт (в диапазоне 70 – 90 градусов). Если 200 мл., то в 2 раза больше, т.е, примерно 30Вт. У двухлитрового чайника мощность потерь, естественно в 10 раз больше, и, как показывает эксперимент, составляет 250 – 300 Ватт.
Остается только измерить тепловую мощность ладони, чтобы оценить энергетические характеристики и этого типа стирлингов.
Выводы
Таким образом, теплоотдача свечи в 93 Ватта - это не выдумка и не ошибка, а объективная вещь, с которой нужно считаться и использовать на полную “мощность”. Необходимо переосмысливать наше отношение к свече и к двигателям от нее работающим. Если раньше к этим двигателям отношение было как к игрушкам, как к технической забаве, как к тренингу перед созданием чего-то более серьезного, то после осознания истинной силы свечи, ясно, что нет ничего более серьезного, чем двигатели, работающие именно от свечи.
Итак, свеча. Это самый необходимый предмет в рюкзаке туристов, путешественников, охотников, рыбаков, альпинистов, одним словом, людей, которые временно покидают пространство охваченное цивилизацией и остаются один на один с природой. Но достижения цивилизации их при этом не отпускают, в рюкзаке оказываются и такие предметы как телефон, фонарик, фотоаппарат, видеокамера, GPS-навигатор, ноутбук, да мало ли что еще. И всем этим завоеваниям цивилизации необходимо электричество, запас которого стремительно тает в течение первых 2-3 дней.
Имея стирлинг-генератор с КПД 10%, который работает от 50-ваттной свечи, получим 5 Ватт электричества. Этого вполне достаточно на подзарядку всех электронных устройств путешественника. А если еще и свечу иметь 200-ваттную, то можно смело и надолго уходить от объятий цивилизации.
Таким образом, максимальные усилия необходимо направить не на увеличение мощности низкотемпературных стирлингов, а на увеличение их КПД, хотя бы до 5%. Тогда эти устройства из разряда игрушек сразу переходят в разряд самых необходимых вещей и не только в рюкзаке. И второе, над чем стоит подумать, - это увеличить мощность свечи до 150-200 Ватт. Неплохо было бы еще, и контролировать ее мощность в процессе горения.
Харьков, апрель - май 2011года
