Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №11

Журнал «Домашняя лаборатория»

Только после появления газомоторов Лангена-Отто (1867 г.) и усовершенствований газогенераторов Твайдом (1880 г.) и Сетзерлендом (1883 г.) последние получили большое значение для использования газа в силовых целях. Бурное развитие силовых газогенераторных установок началось после награждения золотой медалью газогенераторного двигателя немецкой фирмы «Отто Дейц» на Парижской всемирной выставке в 1867 г. В результате фирма получила большое количество заказов. Но заказчики хотели использовать эти двигатели в других отраслях промышленности, требуя от фирмы выпуска дешевого и не громоздкого газогенератора. Особенно остро вопрос усовершенствования газогенераторных установок стал после Парижской всемирной выставки 1878 г. Фирмой «Отто Дейц» был представлен первый четырехтактный газогенераторный двигатель, имевший огромный международный успех. После этого развитие двигателей и газогенераторов шло параллельно по пути увеличения мощности. Причем резко возросший выпуск газогенераторных двигателей инициировал

всестороннее усовершенствование газогенераторных установок. Стоимость газогенераторов с увеличением мощности превышала стоимость двигателей. Кроме этого, распространению газогенераторных двигателей препятствовала необходимость обзаводиться громоздкой газогенераторной установкой. Поэтому уже с самого начала появления двигателей внутреннего сгорания зародилось стремление к созданию легких, удобных и простых газогенераторов. Таким образом, развитие двигателей внутреннего сгорания шло параллельно с развитием стационарных газогенераторов, эти процессы дополняли друг друга, эволюция одного стимулировала эволюцию другого. Решающими в этом развитии были работы Даусона (1883 г.), впервые создавшего концепцию сочетания газогенератора и двигателя внутреннего сгорания в одной установке, которую можно было применить на практике, (рис. 4). Значение этой работы было столь велико, что в течение какого-то времени генераторный газ назывался газом Даусона.

Рис. 4. Газогенераторная система Даусона

Воспользовавшись опытами Даусона, завод Крослей в 1889 г., аза ним и Отто-Дейц взялись за разработку установки, сочетающей газогенератор с двигателем. Обе эти фирмы были пионерами в применении газ-моторов. Существенное нововведение осуществил Бенье (1892 г.), присоединивший к мотору насос. С помощью насоса всасывался генераторный газ, и подача воздуха при этом происходила под давлением. Таким образом, был придуман способ получения газа с всасыванием, который оказался особенно пригодным для установок малой мощности. С реализацией этой идеи все устройство упростилось, стало дешевле, и процесс стал саморегулируемым.

С момента появления силовых газогенераторов их разработка велась в двух направлениях — газификация твердых и жидких топлив. Однако в 1883 г. Готлиб Даймлер опубликовал два патента. Один из патентов был на простейший газогенератор жидкого топлива под названием «Калильная трубка для зажигания горючей смеси в моторе», другой — на мотор для экипажа, где эта калильная трубка была уже усовершенствована до прибора. Прибор был назван карбюратором и впоследствии получил широчайшее распространение. В усовершенствованном виде разработка Даймлера используется до сих пор, являясь, по сути, газогенератором для жидких топлив.

В последующие 15 лет разработки автомобильных газогенераторов для газификации твердых топлив были практически полностью прекращены.

На выставке в 1892 г. в Париже О. Дизель представил свой новый двигатель, непосредственно использовавший твердое топливо в высоко дисперсном состоянии. Подавляющее большинство исследовательских работ после этого было сосредоточено на разработке технологии использования измельченного твердого топлива в моторах. Путем очень тщательного измельчения удавалось превратить топливо в столь тонкую пыль, что скорость её сгорания была достаточна высока, а стоимость получения приемлемой. Неразрешимой проблемой, вставшей на пути этого направления развития дизельных двигателей, стала проблема удаления золы. Золы даже в самых лучших сортах твердого топлива содержится во много раз больше, чем в любом жидком топливе. Присутствие в золе каменных углей, соединений железа и кремния, сплавляющихся в твердые силикаты, способствовало быстрому накоплению в цилиндре двигателя шлифовального порошка. Образующийся при этом порошок не удавалось удалить ни самым энергичным продуванием, ни промывкой. Непрерывное истирание стенок цилиндра и поршня, а также проникновение зольных частей в картер приводило к быстрому износу наиболее ответственных деталей и выходу двигателя из строя. Подобная же картина наблюдалась при попытках сжигать коллоидальный раствор угля и нефти. С тем лишь отличием, что меньшее содержание твердого компонента в горючем пропорционально уменьшало скорость износа. Возникшую проблему пытались решить путем изготовления гильзы цилиндра двигателя из сверхтвердых или специально обработанных материалов, а также поиском соответствующего состава топлива. Были предприняты попытки измельчения дерева в порошок, пригодный для непосредственного использования его в двигателе внутреннего сгорания. Но технология не получила широкого распространения, т. к. получаемый таким образом порошок имел очень высокую себестоимость. В результате это направление было признано тупиковым, а применение твердого топлива для двигателей внутреннего сгорания стали изучать лишь в аспекте проведения его предварительной газификации. В прошлом столетии было изобретено

несколько синтетических твердых топлив, пригодных для такого применения, но все они были намного дороже горючего нефтяного происхождения. Проблема же ожижения твердых топлив активно изучается и ныне.

Кроме того, именно в прошлом веке начались активные исследования, направленные на создание синтетического аналога бензина. Первые автомобили на этаноле появились еще в 20-х гг. прошлого столетия. Но такое топливо, как «Агрол» (90 % бензина + 10 % безводного спирта), впервые было создано в США лишь в 1935 г. Тогда и началось его массовое использование. В 40-е годы в Германии теоретические исследования школы Фишера-Троппа позволили создать целую отрасль промышленности. Объёмы производства измерялись миллионами тонн горючего для танков и самолетов. В 1936 г. правительство Бразилии издало постановление о введении спиртовой добавки к импортному бензину. Это было сделано в качестве меры спасения сахарной промышленности, переживавшей тогда спад. С тех пор Бразилия — признанный лидер в такой технологии. В соответствии с государственной программой 5 % сельскохозяйственных угодий страны используются под сахарный тростник, который выращивается специально для производства топливного спирта.

Другим важным моментом в историческом процессе конструктивного развития газогенераторов явилась задача удаления золы. Опуская первые попытки удаления золы (в виде расплавленного шлака), основными применявшимися ранее типами решеток надлежит считать плоские и слабонаклонные. Сименс впервые предложил сильно наклоненную ступенчатую решетку, которая предшествовала изобретению ступенчатых решеток Одельстьена. Примерно в 1880 г. в качестве новой формы подвода дутья появился центральный дутьевой колпак. Это вскоре привело к созданию Бруком (1884 г.) и Тейлором (1889 г.) газогенераторов с вращающимся дутьевым колпаком и зольной тарелкой. Эти механизмы послужили исходными пунктами для новых конструкций. Из многочисленных последующих предложений для удаления золы следует упомянуть шнеки для золоудаления Зикеля (1877 г.) и Геринга (1879 г.).

Причём последний предложил ещё и шнек для дозированной подачи топлива. Были ещё подвижные зольные тележки Сетзерленда (1883 г.), передвижная лестничная решетка Гребе (1878 г.), вращающийся поддон Гопкрафта (1889 г.) и сдвоенный вращающийся поддон Кетхума (1893 г.), а также своеобразная конструкция для удаления золы Китсона (1893 г.).

Стоит отметить газогенератор Мюллера (1895 г.), который можно считать предшественником газогенератора с вращающейся решеткой, и детальные работы Р. Аккельмана (Швеция), посвященные газификации торфа и дров в газогенераторах с плоской решеткой.

Важным этапом в деле развития конструкции газогенератора был переход на цилиндрическую шахту с конусным затвором шуровочной коробки, а также водяным поддоном и центральным принудительным подводом дутья. Роль колосниковой решетки в этом случае играли куски частично оплавленной золы топлива, заполнявшие нижнюю часть шахты. Представителем этого типа устройств является газогенератор системы Моргана (1896 г.) (рис. 5). Это было большим шагом вперед, а основные особенности его конструкции (водяной затвор, цилиндрическая шахта, центральный подвод дутья, принудительная подача воздуха) сохранились и во всех последующих типах газогенераторов того времени.

Рис. 5. Газогенератор Моргана

В газогенераторах системы Сименса и Моргана совершенно отсутствовала механизация, ставшая впоследствии основой автоматизации газогенераторного процесса. Особо следует отметить конструкцию вращающейся решетки, предложенную де-Лавалем (1896 г.). Это разработка стала отправной точкой для изобретения в 1904 г. первой, удачной в практическом отношении конструкции, решающей вопросы механического измельчения и удаления золы (шлака). Эта задача была блестяще разрешена Керпели (1905 г.), который предложил газогенератор с вращающимся водяным поддоном и с эксцентрично расположенной полигональной колосниковой решеткой (рис. 6).

Рис. 6. Газогенеротор Керпели

Керпели первый предложил делать нижнюю часть шахты газогенератора в виде цилиндрического охлаждаемого водой кессона. Это позволило устранить износ огнеупорной кладки и образование на ней шлаковых настылей, а также предоставило возможность простого получения пара для нужд газогенератора. Такой полумеханизированный газогенератор в то время был крупным шагом вперед и произвел целый переворот в области газогенераторостроения. В различных своих конструктивных видоизменениях он продержался до двадцатых годов прошлого века, пока на смену ему не пришёл полностью механизированный газогенератор.