Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №7

Журнал «Домашняя лаборатория»

Вакуум до 3 мм рт. ст. Дает насос Комовского, продаваемый в учебных коллекторах для школьных кабинетов физики.

Вакуум до 30–20 мм рт. ст. создает водоструйный насос, устанавливаемый на водопроводный кран. Продается в школьных коллекторах, магазинах медтехники. Можно сделать самостоятельно. Состоит из корпуса, в который вставлено сверху сопло и снизу диффузор для протока воды, захватывающей воздух. Сбоку корпуса имеется штуцер для шланга отсасывающего воздух. Сопло соединено со штуцером подвода воды и сужается к концу, заходя на 3 мм в диффузор с зазором в 0,1–0,2 мм. Диффузор наоборот имеет форму конуса расширяющегося к низу. Исходные параметры одного из насосов: корпус длиной 120 мм диаметром — 28 мм; сопло длиной 63 мм, диаметр широкой части — 5 мм, узкой — 2 мм; диффузор — длиной 60 мм, диаметр узкой части — 3 мм, широкой — 9 мм. Сопло и диффузор можно сделать из обрезков полудюймовой трубы, залитых эпоксидной смолой или свинцом, с формированием внутренних отверстий по конусным вкладышам, выстроганных из деревянных палочек. Для захода сопла с зазором в диффузор при отливки в него вставляется носик из металлической трубки соответствующего диаметра. Сопло и диффузор ввинчиваются в полудюймовый тройник вместе с отрезком трубы для отсасывания воздуха. Все соединения тщательно герметизируются. Насос обычно хорошо работает при расходе воды от 0,6 л/мин (при давлении в водопроводной сети не менее 1,5 атм). В отличие от механических насосов он может отсасывать пар, агрессивные среды.

При отсутствии водопроводной сети можно собрать паро-воздушный насос аналогичной

конструкции.

Ветроколеса для ВЭУ и гидротурбин

Быстроходное колесо Ю. Моралевича (диаметром 2 м)^[75].

Деревянный шест (мах) в 2 м длиной (равной диаметру колеса) дважды пропитывают горячей олифой, вставляют в 2-3-х дюймовый тройник, служащий осью, и сверлят сквозную дырку в тройнике для фиксирования маха гвоздем. Лопасти делают из тонкой парусины или бязи в виде треугольника высотой 90 см и шириной основания 15 см плюс полоса в 30 см для шитья кармана для маха. Лопасть карманом одевается на мах и в широкой части прибивается к рейке сечением 1x3 см, которая одним концом привязывается шпагатом к маху с узлом между ними в качестве шарнира, а вторым привязывается резиновым жгутом (сечением 1 см² из полосок нарезанных из велокамеры) к концам металлического прутка длиной 60 см, диаметром 4–6 мм, вставленным в сквозное отверстие тройника. Длину жгутов подбирают опытным путем. При сильном ветре резиновые жгуты будут растягиваться и отклонять парусиновые крылья назад., выключая их из работы и тем самым предупреждать поломку ВЭУ. Концы маха обматывают вязальной проволокой и вбивают по гвоздю (150 мм), затупляя концы и отгибая сами гвозди в стороны так, чтобы они с плоскостью вращения ветроколеса составляли углы по 20 град. К тройнику приваривается ось-труба с двумя подшипниками в деревянном корпусе. На конце оси крепят шестерню находящуюся в зацеплении с шестерней автомобильного генератора, закрепленного сверху корпуса. При частоте оборотов ветроколеса — 700 об/мин, передаточное число шестерен должно быть — 1: 3. Хвост ВЭУ делается из жерди длиной 2 м с обручем из проволоки диаметром 0,5 м обтянутого холстом.

Ротор Бирюкова.Лопасти вырезаются из кровельного железа и загибаются по профилю, указанному на чертеже (для ротора диаметром — 0,75 м). Верхний и нижний край шириной 10 мм отгибается для крепления к дискам, а боковые края отбортовывают для создания ребер жесткости.^[76]

Газогенераторы (для автомобилей и др.)

Газогенераторы работают на древесном, каменном, буром угле, торфе, древесных чурках. Для автомобилей предпочтительнее древесный уголь, не выделяющий смолы, так как незакоксовывается мотор, упрощается обслуживание.

Наиболее прост в изготовлении газогенератор с поперечным процессом. Он представляет собой вертикальный цилиндрический бункер с герметично закрывающимся сверху люком (2). Внизу бункер переходит в камеру газификации из стали толщиной 6–8 мм, сбоку которой крепится фурма (3), (охлаждается водой или воздухом), а с противоположной стороны — чуть ниже, газоотборный патрубок (4) с газоотборной решеткой (5).

Объем бункера определяется запасом хода, удельным расходом топлива и его насыпным весом (для древесного угля — 0,18-0,22 кг/л; древесной чурки -0,28-0,3 кг/л). Фурму ставят на 0,4 высоты камеры газификации снизу. Сечение фурмы обычно равно 17,5 мм 2 на 1 кг максимального расхода топлива в час, а сечение камеры газификации — 70 см² на 1 кг максимального расхода топлива в час. Высота камеры примерно равна ее диаметру, а длина активной зоны (расстояния от фурмы до решетки) — в 1,75-2 раза меньше диаметра камеры. Фурма оснащается обратным клапаном (чтобы исключить проскок газа через нее) и может охлаждаться системой охлаждения мотора. Для розжига используют бензин и электровентилятор (или работающий мотор). Для повышения долговечности камеру газификации иногда выкладывают огнеупорной глиной и т. д. Из газогенератора газ проходит сначала грубый очиститель-охладитель (трубчатые радиаторы или емкость с сеткой, перфорированными стальными пластинами). На 1 л.с. мотора берут охладитель объемом 3–4 л с 0,03-0,04 м² поверхностью охлаждения. Затем газ проходит фильтр тонкой очистки — емкость с кольцами Рашига, металлической стружкой, деревянными кубиками (сечение 1,5 см) или из 2-х слоев ткани (байки и сатина) натянутой на каркас (на 20 л.с. нужен 1 м² поверхности тканей). Матерчатый фильтр работает при температуре 60–80 °C газа (ниже намокает от конденсата, а выше разрушается ткань). Между карбюратором и воздушным фильтром ставят газовый смеситель. В 30-е годы легковые автомобили (М-1 и др), оборудовались газогенераторными установками в заднем багажнике. При общем весе — 160 кг, они вмещали 70 кг топлива, что обеспечивало запас хода в 200 км при удельном расходе — 35 кг древесного угля на 100 км.^[77] Есть сообщения о самодельной генераторной установке для мотоциклов (мощностью 8 л.с.). Она состояла из навешиваемых по бокам рамы газогенератора и газоочистителя (оба диаметром по 0,22 м высотой 0,55 м из стали толщиной 1 мм), соединенные горизонтальной трубой-охладителем (длиной 0,41 м). Газоочиститель был наполнен стальной стружкой, нарезанной колечками и пропитанных отработанным маслом.^[78] Средний расход топлива на 100 км у легковых автомобилей -15-27 кг древесного угля, среднее время розжига — 3–4 мин (на других видах топлива — 9-12 мин), для розжига достаточен электровентилятор мощностью до 150 вт (50 м³/час); общее время на обслуживание газогенераторной установки зимой (очистка зольника, загрузка топлива, очистка очистителей и труб и т. д.) — около 0,5 час на 100 км. Зимой трубопроводы и очистители утепляют, чтобы не выпадал конденсат.^[79]

Газогенераторы для сжигания древесных чурок имеют более сложную конструкцию. Камера газификации — литая с сужающейся центральной частью-горловиной для создания высокой температуры сгорания (для разложения смол и т. д.) и имеет большое число воздушных фурм (5-123). Бункер имеет двойные стенки для нагрева топлива газом, который затем отбирается в верхней части генератора^[80].

При работе на газогенераторном газе двигатель автомобиля теряет 50–30 % мощности из-за более низкой калорийности газа, чем бензина, и худший наполняемости им камеры сгорания. Чтобы уменьшить потерю мощности повышают степень сжатия (до 9,0) совершенствуют смеситель (оптимальное соотношение объема газа и воздуха равно 1:1), лучше охлаждают газ (до 20 °C), увеличивают сечение газопровода и т. д.^[81]

Глюкоза из древесины

По промышленному способу древесную щепу сначала обрабатывают 5,5 кратным объемом 0,5–1,5 %-ной соляной кислотой 0,5–1 часа в автоклаве при 120–125 °C для растворения гемицеллюлозы. Раствор (содержит около 2 % сахара) нейтрализуют содой и используют для получения технического спирта, кормовых дрожжей и т. д. (только не в пищу). Остаток (целлолигнит) промывают водой (не менее 4-х раз), сушат при 290–300 °C (до 8 % влажности и темно-коричневой окраски, затем гидролизуют 6-кратным объемом 41 %-ной соляной кислоты^[82]) 32 часа при охлаждении до 20 °C (последовательно пропуская раствор через 4 емкости с целлолигнитом, каждый раз меняя их очередность для максимального насыщения раствора сахарами и использования древесины). Потом из гидролизного раствора соляную кислоту отгоняют сначала под вакуумом (при 30–50 мм рт. ст, чтобы не разрушать глюкозу сильным нагревом), затем продувкой пара (тоже под вакуумом).

Упаренный раствор разбавляют водой в 3 раза и нагревают 1–3 часа до 100–130 °C (для инверсии остатков декстринов в глюкозу), потом в нем остатки соляной кислоты (0,5–1 %) нейтрализуют пищевой содой, раствор очищается древесным углем, упаривается (под вакуумом) и из него кристаллизуется (через перекристаллизацию) глюкоза. На 1 кг. глюкозы расходуется 4–5 кг древесины, 1,7–2 кг хлористого водорода. Отогнанная соляная кислота идет на новый цикл, предварительно доведенная до нужной концентрации насыщением хлористого водорода, (его получают взаимодействием соляной кислоты с 50 %-ным раствором хлористого кальция при 120 °C, отнимающего у нее воду, с последующей регенерацией раствора упариванием^[83]. Процесс можно упростить и ускорить. Если гидролиз гемицеллюлозы вести без автоклава 2,5–3 %-ной кислотой при 100 °C и если гидролиз целлолигнита вести в одной емкости путем пропитки ее 44–45 %-ной соляной кислотой при 0 °C или — 10 °C с последующим насыщением массы газообразным хлористым водородом до 48 %-ной кислоты при 20 °C (время сокращается до 6 час, расход соляной кислоты — 0,94 кг на 1 кг сухого сырья)^[84], а также, если отказаться от выделения кристаллической целлюлозы и использовать уваренный глюкозный сироп. Несмотря на упрощения и доступность аппаратурного оформления (для отгонки кислоты могут быть использованы с некоторыми изменениями вакуумные водоструйные системы), применение этой технологии в бытовых условиях достаточно сложно и опасно из-за высокой летучести и агрессивности соляной кислоты (необходима хорошая вентиляция, тщательная герметизация оборудования, защита окружающей среды и людей). Более удобен гидролиз древесины малыми количествами концентрированной серной кислоты. Сначала древесные опилки обрабатывают разбавленной серной кислотой для удаления гемицеллюлозы (например, 5-кратным объемом 2,5–3 %-ной кислоты при 100 °C), и полученный целлолигнит тщательно сушат (до 4–5 %-ной влажности). Затем по одному из способов целлолигнит смачивался 0,2–0,15 кратным количеством 40–42 %-ной серной кислоты, пропускался 12–15 раз через вальцы с зазором 0,2 мм при 100–110 °C до образования темно-коричневой или черной эластичной массы (в других опытах массу мяли на шаровых или вибромельницах). Затем массу разводили водой до создания 5 %-ной концентрации кислоты и проводили 5 час ее инверсию на кипящей водяной бане. Раствор отжимали от остатка, кислоту нейтрализовали мелом и осаждали в виде гипса,^[85]отфильтрованный раствор упаривали. Выход сахаристых веществ — 53 % от сухого целлолигнита (или 88 % от теоретического)^[86] Можно обойтись без вальцов и мельниц, если целлолигнит смешать с 1-кратным по весу количеством 70 %-ной серной кислоты (гидролиз идет 48 часов при 18 °C).^[87] Кислоту регенерируют диализом (помещая массу в целлофановом мешочке в чистую воду, упаривая последнюю потом до нужной концентрации кислоты) или электродиализом. Простейшая электродиализная установка — пористый сосуд (например, из слабообожженной глины) с гидролизной массой разбавленной водой до 3 %-ной концентрации кислоты и катодом опускается в стеклянный сосуд с подкисленной водой и анодом. Оба электрода — угольные (от электрощеток, батареек и т. д.). К аноду отгоняется до 91 % кислоты. Расход энергии 1 квт-час на 1 кг H₂SО₄ (при напряжении 2 V)^[88].

Все используемые кислоты и другие химикаты должны быть химически чистые. Оборудование — из кислотостойких материалов. Все манипуляции с кислотами должны вестись в вытяжном шкафу или на открытом воздухе с соблюдением техники безопасности работы с кислотами. Конечный продукт обязательно проверять на отсутствие кислоты (pH не менее 5), тяжелых металлов.

Дрожжи (кормовые)

Питательной средой может служить зерно-картофельная барда (после отгонки спирта), а также зерно-картофельные заторы, меласса, сахарные растворы с содержанием 1–1,5 % сахаров и необходимых минеральных солей. На 1 л барды добавляют 6,5 г сульфата аммония (или 2–3 г мочевины), 0,09 г фосфорной кислоты, подкисляют серной кислотой и заливают дрожжами. Процесс ведут непрерывно при 35 °C, барботировании воздуха через раствор из расчета 55–60 л в час на 1 л объема раствора и поддерживании кислотности летом рН = 4,5–5,0, а зимой рН = 4,8–5,5. Каждые 8 часов часть бражки с дрожжами отбирают и заливают в растильную емкость такой же объем питательного раствора. В отобранной бражки гасят пену (механическими пеногасителями или добавлением олеиновой кислоты, фосфатидов и др.). Потом дрожжи отделяют сепарированием в 3 ступени, сгущая их до 450–500 г/л (10–18 % сухих веществ). Для обезвреживания (отмирания) дрожжи перед сушкой выдерживают 45 мин при 70–75 °C. Сушат их при 90 — 950 до 10 % влажности. Непрерывное ращение дрожжей можно осуществлять зимой до 2–3 месяцев, а летом — до 15–30 дней. Затем все оборудование дезинфицируется (формалином и др.) и 1 час пропаривается.^[89]

Едкий натрий, едкий калий, поташ

В 10 частях кипящей воды растворяют 1 часть кальцинированной (стиральной соды и добавляют 1 часть измельченной гашеной извести при перемешивании. Кипятят около 4 часов, периодически добавляя воду до прежнего объема. Окончание реакции определяют добавлением к отфильтрованной пробе раствора кислоты (уксусной, серной ит. д.). Если углекислота в виде пузырьков газа не выделяется, значит, вся сода превратилась в едкий натрий. Тогда раствор охлаждают, отфильтровывают от осадка и упаривают до нужной концентрации на медленном огне.

Осадок (мел) можно прокалить на сильном огне (при 9000 и выше) и полученную известь использовать повторно. Для получения едкого калия из древесной золы сначала выделяют поташ (карбонат калия). Золу смачивают водой, через сутки. Затем емкость плотно набивают золой на 3/4 объема и заливают водой на 4 часа, потом сливают воду и еще 2 раза заливают водой на 2 часа. Полученный раствор уваривают, образующийся от него осадок (поташ с небольшой примесью других солей) прокаливают.^[90]

В 10 частях кипящей воды растворяют 10 частей поташа и добавляют к ней небольшими порциями помешивая 10 частей измельченной гашенной извести.^[91] Далее так же как при приготовлении едкого натрия.

Каталитические печи

Состоит из бака-резервуара бензина и каталитической горелки в одном корпусе из железа толщиной 1 мм. Через узкую щель в бак опущены асбестовые фитили. Прямоугольная горелка сделана из уголков, на которых уложены 2 металлические сетки, между которыми равномерная засыпка из асбестового волокна с каталитической пропиткой. Все герметизируют. Засыпку получают так.

1200 г чистого азотнокислого железа (получают растворением в азотной кислоте) разводят в 1,5 л дистиллированной воды при 40-800, добавляют 12,5 окиси кобальта растворенной в азотной кислоте (кобальт содержится во многих радиодеталях — постоянных магнитах, магнитных сердечниках из пермендюра, ножках микросхем и т. д.). Этой смесью пропитывают 300 г асбестовой ваты 1 час при частом перемешивании, охлаждают до 20 °C, добавляют 550 г двуххромовокислого аммония растворенного в 1 л воды, 3–4 раза перемешивают и энергично размешивая, приливают небольшими порциями 380 см³ 20 %-ного раствора аммиака. Через 1–1,5 часа вату вынимают, слегка отжимают, сушат тонким слоем при 100–120 °C. Затем теребят до получения мягкого рыхлого волокна и 3 часа прокаливают при 380–400 °C. Все операции делают в резиновых перчатках, на открытом воздухе с респиратором (асбестовая пыль — вызывает рак легких). Коротковолокнистый, листовой и шнуровой асбест не годится. Для розжига каталитической печи на горелку наливают 50-100 см³ бензина, поджигают. Через 3–4 минуты пламя гаснет и начинается беспламенное горение. Возможен беспламенный розжиг печи, если в катализатор заложить нихромовую спираль и включить ее в электрическую сеть.^[92]