Сжатый воздух

Транспортное средство с воздушным сжатием (КАВ) является транспортным механизмом, питаемым резервуарами с атмосферным газом под давлением и приводимым в движение путем выпуска и расширения газа внутри пневматического двигателя. CAV нашли применение в торпедах, локомотивах, используемых в рытье туннелей, и ранних прототипах подводных лодок. Потенциальные экологические преимущества вызвали общественный интерес к КАВ в качестве легковых автомобилей, но они не были конкурентоспособными из-за низкой плотности энергии сжатого воздуха и неэффективности процесса сжатия / расширения.

Привод сжатого воздуха также может быть включен в гибридные системы, например, с электрическим двигателем аккумуляторной батареи. Такая система называется гибридно-пневматическим электрическим двигателем. Кроме того, регенеративное торможение также может использоваться вместе с этой системой.

история
Использование сжатого воздуха в качестве движущей силы транспортного средства относится к развитию железных дорог и механических тяговых трамвайных путей, где в некоторых ситуациях, таких как горнодобывающие и городские сети, необходимо избегать рисков пожара и загрязнения, присущего обычный паровоз.

Первые системы Tomlinson (1820) в Соединенных Штатах или Andraud (1830) во Франции были неудачами, потому что сжатый воздух, циркулирующий в трубе вдоль трассы, и локомотив должен был быть оснащен, чтобы принимать его непрерывно. (с помощью устройства, аналогичного катапультам авианосцев), что вызвало утечки и низкую производительность.

Новая система, разработанная Антуаном Андроудом и Сиприеном Тесси де Мотей в Париже в 1840 году, где локомотив был оснащен танком, который был заполнен в определенных точках сети, доказал осуществимость системы.

Первые практические применения рельсовых транспортных средств с сжатым воздухом относятся к прорыву железнодорожных туннелей (1872 г.), в частности к Готтарду в Швейцарии, и к некоторым экспериментам по трамвайным путям. Но охлаждение цилиндра двигателя за счет расширения сжатого воздуха превратило влажность воздуха двигателя в кристаллы льда, что вызвало блокировки.

Именно инженер Луи Мекарски усовершенствовал систему, объединив сжатый воздух и перегретую воду под давлением, и сделал ее полностью работоспособной, чтобы оборудовать трамвайные сети. Он был впервые испытан на парижских трамваях с 1876 по 1879 год в сети Tramways North.

Затем он использовался на нескольких линиях сети Иль-де-Франс: железные дороги Ногентан, трамвай Sèvres в Версаль, компания Tramway в Сен-Мауре-де-Фоссе и в парижскую сеть Compagnie Générale des Omnibus с 1894 по 1914 год.

С 1879 года вся сеть трамвайных путей Нанта постепенно оснащалась более 90 самолетами с сжатым воздухом, которые доставляли удовлетворенность до 1917 года. С 1890 года другие города оснащались трассами Мекарского, такими как Берн (1890), Виши (1895), Экс-ле- Бэйн (1896), Сен-Квентин (1899) и Ла-Рошель (1901). Локомотивы Мекарского также находились на службе в парижской части Арпаджонны для «молчаливого» обслуживания Зала Парижа с 1895 года до 1901 года.

Один из проектов в Нью-Йорке по легким рельсам заключался в использовании сжатого воздуха и перегретых водных локомотивов. Двигатель работал на регенеративном торможении, подзаряжал резервуар сжатого воздуха и нагревал резервуар для воды.

С 1896 года компания HK Porter Pittsburgh поставила на рынок пневматический локомотив, изобретенный Чарльзом Б. Ходжесом. Двигатель с двойным и тройным расширением (цилиндры высокого и низкого давления) был дополнен атмосферным теплообменником. Сжатый воздух, охлажденный первым расширением, нагревался окружающим воздухом, что делает ненужным перегретое устройство воды и значительно улучшает общую эффективность. Тысячи локомотивов «Портер» работали на угольных шахтах в восточной части Соединенных Штатов до 1930-х годов. Другие производители по всему миру создали аналогичные машины для шахт и заводов в отраслях, которые не переносят дым или пыль. Диапазон увеличился с возможностью создания воздушных резервуаров с очень высоким давлением (до 250 бар). Эти машины служили до 1950-х годов, прежде чем их обогнала разработка газовых двигателей с низким уровнем выбросов и улучшенных электрических аккумуляторов.

Реализация автомобиля также была предметом некоторых достижений. Менее загрязняющий, чем электрический автомобиль (который загрязняет компоненты его батарей), но также страдает от ограниченной автономии, концепция, по-видимому, забыта об «экологическом» мире и не приносит пользы ни на минуту крупного промышленника для его продвижения и его развития. Однако несколько компаний работают над применением пневматического двигателя для автомобиля.

7 мая 2012 года индийская компания Tata Motors, которая строит очень компактные недорогие транспортные средства, объявила, что она успешно прошла в сотрудничестве с компанией MDI, испытаниями использования на прототипах и начала фазу создания процесса. производства этого автомобиля.

теория
Согласно закону Бойля,

При фиксированной массе идеальных газов при фиксированной температуре величина давления по величине объема приводит к постоянной.

Роберт Бойл и Эдме Мариотт
Поэтому при одинаковой температуре:

давление, умноженное на объем газа, содержащегося в резервуаре, соответствует постоянной;
изменение давления газа обратно пропорционально его объему.
Если любое из двух, либо давление, либо объем изменяется, фактор T может быть изменен. Это подводит нас к понятиям термодинамики, адиабатическому расширению сжатого воздуха.

Чем быстрее и брутальнее изменяется произведение давления и объема, газ удается удовлетворить эту константу за меньшее время и отражает часть этого преобразования в температуре.

Именно поэтому методы использования сжатого воздуха в системе объясняют, почему с двигателями сжатого воздуха с двумя основными тенденциями, концептуально отличными:

Термодинамическая эксплуатация
Во время быстрого расширения большого количества сжатого воздуха, что соответствует значительному снижению давления, физически невозможно, чтобы газ восстановил свой первоначальный объем; последующее изменение температуры приводит к значительному охлаждению, в то время как расширение полезного объема может быть ограничено примерно 40% от теоретического объема. Напротив, при сжатии уменьшение объема обычно связано с повышением температуры, что опять-таки приводит к общему объему сжатого воздуха ниже его теоретического значения.

Технологии, используемые MDI, Energine и Quasiturbine, требуют относительно важных потоков при эксплуатации для анимации двигателей, но обязательно должны ограничиваться термодинамическими ограничениями.

Динамика эксплуатации
Чтобы создать механическую тягу, избегая этого препятствия или, по крайней мере, уменьшая его воздействие, поэтому необходимо соблюдать определенные правила: разрешить расширение как можно медленнее, то есть при работе с малыми токами (но это, конечно, означает отрицательный аналог в отношении ограничения мощности двигателя), чтобы регулировать внезапные изменения давления, когда это слишком важно (с использованием редукторов давления и других промежуточных промежуточных продуктов декомпрессии), поддерживать, а также возможную постоянную температуру газа, если даже не повысить производительность сжатия / расширения охлаждения / нагрева полезности воздуха.

Технология
Двигатель сжатого воздуха и резервуары сжатого воздуха являются особыми случаями пневматических систем, которые используют принципы термодинамики сжимаемых газов, представленные в соответствующих статьях.

Пневматическое, электрическое и тепловое сравнение
По сравнению с электродвигателем или двигателем внутреннего сгорания пневмодвигатель имеет определенные преимущества, но также и слабые стороны его адаптации к автомобильному транспорту:

Что касается накопления энергии
стоимость изготовления резервуара сжатого воздуха ниже, чем стоимость электрического аккумулятора, но выше, чем у топливного бака;
составной воздушный резервуар намного менее тяжелый, чем электрический аккумулятор, но больше, чем топливный бак;
производство воздушного резервуара может быть дорогостоящим по энергии (углеродное волокно), но не включает сильно загрязняющие металлы (в отличие от многих типов электрических аккумуляторов);
резервуар сжатого воздуха мало носит и может выдерживать более 10 000 циклов зарядки и разрядки, что дает ему практически неограниченный срок службы;
рециркуляция баллона сжатого воздуха легче, чем у электрического аккумулятора;
для мобильного использования масса воздуха, переносимого во время использования транспортного средства, уменьшается, как и для топлива, в отличие от веса электрического аккумулятора;
однако энергетическое содержание сжатого воздуха невелико; например, объем 300 литров при 300 бар может обеспечить только теоретический максимум 14,3 кВтч, и на практике этот показатель снижается до примерно 7 кВтч для адиабатического расширения, что близко к поведению реальных пневматических двигателей;
зарядка и разрядка электрического аккумулятора могут быть выполнены с энергоэффективностью, приближающейся к 90%, что связано с эффективностью электродвигателя от 90 до 96%, что дает общую эффективность около 70%. на 75%;
давление падает, когда воздушный резервуар опустошается, что приводит к падению имеющейся мощности или к снижению эффективности, если регулятор регулирует давление;
влажность сжатого воздуха должна быть полностью удалена, чтобы предотвратить образование льда при расширении в двигателе: либо вода удаляется перед сжатием, либо сжатый воздух нагревается во время расширения, создавая значительные дополнительные потери энергии;
электрическая зарядка молчит, а сжатие воздуха – нет.

О двигателе
пневматический двигатель может работать на низкой скорости (от 100 до 2000 оборотов в минуту в зависимости от кубической емкости);
он предлагает большой и почти постоянный крутящий момент над диапазоном оборотов двигателя;
он может обеспечить холод для автомобиля; с другой стороны, при отсутствии потерь тепла двигателя внутреннего сгорания необходимо предусмотреть дополнительное тепло для обогрева транспортного средства;
традиционный тепловой двигатель той же мощности (около 7 кВт), что двигатель сжатого воздуха имеет сопоставимые или даже меньшие размеры и вес (см. двигатели с двигателем для модельных самолетов и т. д.).

Что касается коммерческой жизнеспособности
транспортные средства сжатого воздуха не смогли достичь коммерциализации, несмотря на несколько десятилетий развития; с другой стороны, многие производители поставили на рынок различные модели электромобилей, чьи глобальные продажи демонстрируют устойчивый рост;
выступления, объявленные создателями пневматического транспортного средства, никогда не проверялись независимо и поэтому могут подвергаться сомнению.
По сравнению с двигателями внутреннего сгорания, как пневматические, так и электрические системы имеют недостаток низкой автономии, приемлемы для транспортных средств, таких как трамвай начала 20-го века, с их частыми остановками и фиксированными маршрутами, позволяющими быстро заряжать воздух, но менее совместимы с текущим использованием конкретный автомобиль. Однако использование современных технологий (воздушных емкостей из углеродного волокна) может помочь уменьшить этот недостаток за счет облегчения транспортных средств (см. Главу «Автономия» и методы оценки энергии в воздухе). статья пневматическая энергия).

Танки
Баки должны быть спроектированы с учетом стандартов безопасности, подходящих для сосуда высокого давления, такого как ISO 11439.

Бак для хранения может быть выполнен из металлических или композитных материалов. Волокнистые материалы значительно легче, чем металлы, но в целом дороже. Металлические резервуары могут выдерживать большое количество циклов давления, но периодически проверяются на коррозию.

Одна компания хранит воздух в цистернах при 4500 фунтов на квадратный дюйм (около 30 МПа) и удерживает около 3 200 кубических футов (около 90 кубических метров) воздуха.

Танки могут быть пополнены на станции технического обслуживания, оборудованной теплообменниками, или в течение нескольких часов дома или на автостоянках, подключая автомобиль к электрической сети через встроенный компрессор. Стоимость проезда такого автомобиля, как правило, составляет около 0,75 евро за 100 км, при этом полная заправка на «танк-станции» составляет около 3 долларов США.

Сжатый воздух
Сжатый воздух имеет низкую плотность энергии. В контейнерах емкостью 300 бар достижимо около 0,1 МДж / л и 0,1 МДж / кг, что сопоставимо с величинами электрохимических свинцово-кислотных батарей. В то время как батареи могут несколько поддерживать свое напряжение во время их разряда, а химические топливные баки обеспечивают одинаковые плотности мощности от первого до последнего литров, давление сжатого воздуха падает, когда воздух отводится. Потребитель-автомобиль обычного размера и формы обычно потребляет 0,3-0,5 кВт-ч (1,1-1,8 МДж) на приводном валу за милю использования, хотя нетрадиционные размеры могут выполнять значительно меньше.

Выход эмиссии
Как и другие технологии хранения энергии, не связанные с сжиганием, воздушное транспортное средство вытесняет источник выбросов из хвостовой трубы транспортного средства на центральную электростанцию. Там, где имеются источники с низким уровнем выбросов, можно сократить производство загрязняющих веществ. Меры борьбы с выбросами на центральной генерирующей установке могут быть более эффективными и менее дорогостоящими, чем обработка выбросов широкодисперсных транспортных средств.

Поскольку сжатый воздух фильтруется для защиты компрессорного оборудования, воздух, выпускаемый в нем, имеет меньше взвешенной пыли, хотя может быть перенос смазочных материалов, используемых в двигателе. Автомобиль работает, когда газ расширяется.

преимущества
Сжатые воздушные транспортные средства во многих отношениях сопоставимы с электромобилями, но используют сжатый воздух для хранения энергии вместо батарей. Их потенциальные преимущества перед другими транспортными средствами включают:

Подобно электрическим транспортным средствам, транспортные средства с воздушным движением в конечном итоге будут питаться через электрическую сеть. Это облегчает фокусирование на сокращении загрязнения из одного источника, в отличие от миллионов автомобилей на дороге.
Транспортировка топлива не требуется из-за вытягивания электроэнергии из электрической сети. Это дает значительную экономическую выгоду. Загрязнение, создаваемое при транспортировке топлива, будет устранено.
Технология сжатого воздуха снижает затраты на производство автомобилей примерно на 20%, потому что нет необходимости строить систему охлаждения, топливный бак, системы зажигания или глушители.
Двигатель может быть значительно уменьшен по размеру.
Двигатель работает на холодном или теплом воздухе, поэтому его можно изготовить из более прочного легкого материала, такого как алюминий, пластик, тефлон с малым трением или комбинация.
Низкие затраты на производство и обслуживание, а также простоту обслуживания.
Емкости сжатого воздуха можно утилизировать или перерабатывать с меньшим загрязнением, чем батареи.
Сжатые воздушные транспортные средства не ограничены проблемами деградации, связанными с текущими системами батарей.
Воздушный резервуар может быть пополнен чаще и за меньшее время, чем батареи, которые могут быть перезаряжены, с коэффициентами повторного наполнения, сопоставимыми с жидким топливом.
Легкие транспортные средства вызывают меньше повреждений дорог, что приводит к снижению стоимости обслуживания.
Цена заправочных автомобилей значительно дешевле, чем бензин, дизельное топливо или биотопливо. Если электричество дешево, то сжатие воздуха также будет относительно дешевым.

Недостатки
Основным недостатком является косвенное использование энергии. Энергия используется для сжатия воздуха, который, в свою очередь, обеспечивает энергию для запуска двигателя. Любое преобразование энергии между формами приводит к потере. Для обычных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания энергия теряется, когда нефть превращается в пригодное для использования топливо, включая бурение, очистку, работу, хранение, в конечном итоге транспортировку к конечному пользователю. Для автомобилей с сжатым воздухом энергия теряется, когда электроэнергия преобразуется в сжатый воздух, а когда горит топливо, будь то уголь, природный газ или ядерный газ, приводят в действие электрические генераторы.

Когда воздух расширяется, как и в двигателе, он резко остывает (закон Чарльза) и должен нагреваться до температуры окружающей среды с использованием теплообменника, подобного интеркулеру, используемому для двигателей внутреннего сгорания. Нагрев необходим для получения значительной доли теоретической энергии. Теплообменник может быть проблематичным. Хотя он выполняет аналогичную задачу с интеркулером, разница в температуре между входящим воздухом и рабочим газом меньше. При нагревании хранящегося воздуха устройство становится очень холодным и может охлаждаться в прохладном, влажном климате.
Заправка контейнера сжатым воздухом с использованием домашнего или низкосортного обычного воздушного компрессора может занять до 4 часов, в то время как специализированное оборудование на станциях технического обслуживания может заполнять резервуары всего за 3 минуты.
Танки становятся очень горячими при быстром заполнении. Танки SCUBA иногда погружаются в воду, чтобы охлаждать их, когда они заполняются. Это было бы невозможно с цистернами в машине, и, таким образом, на заполнение танков было бы слишком много времени, или они должны были бы взять меньше полной зарядки, поскольку тепло подталкивает давление. Однако, если он хорошо изолирован, например, дизайн сосуда Dewar (вакуумный), тепло не нужно было бы потерять, а использовать, когда машина работает.
Ранние испытания продемонстрировали ограниченную емкость резервуаров; единственный опубликованный тест транспортного средства, работающего только на сжатом воздухе, ограничивался диапазоном 7,22 км (4 мили).
Исследование, проведенное в 2005 году, показало, что автомобили, работающие на литий-ионных батареях, вытесняют как сжатые, так и топливные элементы более чем в три раза с одинаковой скоростью. Недавно MDI заявила, что воздушный автомобиль сможет проехать 140 км (87 миль) в городском вождении и иметь дальность 80 км (50 миль) с максимальной скоростью 110 км / ч (68 миль в час) на шоссе, при работе только на сжатом воздухе.
Возможные улучшения
Сжатые воздушные транспортные средства работают в соответствии с термодинамическим процессом, поскольку при сжатии воздух охлаждается, когда он расширяется и нагревается. Поскольку использовать теоретически идеальный процесс нецелесообразно, возникают потери, и улучшения могут включать в себя уменьшение их, например, путем использования больших теплообменников для использования тепла от окружающего воздуха и в то же время обеспечить воздушное охлаждение в салоне. С другой стороны, тепло, создаваемое во время сжатия, может храниться в системах водоснабжения, физических или химических системах и повторно использоваться позже.

Может быть возможно хранить сжатый воздух при более низком давлении с использованием абсорбирующего материала в резервуаре. Абсорбирующие материалы, такие как активированный уголь или металлический органический каркас, используются для хранения сжатого природного газа при давлении 500 фунтов на квадратный дюйм вместо 4500 фунтов на квадратный дюйм, что составляет значительную экономию энергии.

Транспортные средства

Производство автомобилей
Несколько компаний расследуют и производят прототипы, в том числе гибридные машины для сжигания сжатого воздуха / бензина. По состоянию на август 2017 года ни один из разработчиков еще не вступил в производство, хотя Tata заявила, что начнет продавать автомобили с 2020 года, а дистрибьютор MDI в США Zero Pollution Motors заявляет, что производство AIRPod начнется в Европе в 2018 году.

Экспериментальные автомобили и велосипеды
В 2008 году транспортное средство с пневматическим и природным газом, разработанное инженерами-студентами Университета Дикин в Австралии, было совместным победителем конкурса Ford Motor Company T2 для производства автомобиля с дальностью 200 км и стоимостью менее 7 000 долларов США.

Австралийская компания Engineair выпустила несколько типов транспортных средств – мопед, маленький автомобиль, небольшой перевозчик, тележку – вокруг роторного двигателя сжатого воздуха, созданного Анджело Ди Пьетро. Компания ищет партнеров для использования своего двигателя.

Мотоциклет с пневматическим приводом, названный Мотоциклом с зеленой скоростью, был сделан Эдвином Йи Юань, основанным на Suzuki GP100 и с использованием пневматического двигателя Angelo Di Pietro.

Три студента-механика из Университета штата Сан-Хосе; Даниэль Мекис, Деннис Шааф и Эндрю Мерович, спроектировали и построили велосипед, который работает на сжатом воздухе. Общая стоимость прототипа составляла менее 1000 долларов США и спонсировалась Sunshops (на Boardwalk в Санта-Крус, Калифорния) и NO DIG NO RIDE (от Aptos, California.). Максимальная скорость первого рейса в мае 2009 года составляла 23 мили в час. Несмотря на то, что их дизайн был прост, эти трое пионеров автомобилей с пневматическим приводом помогли проложить путь для французского автопроизводителя Peugeot Citreon, чтобы изобрести новый гибридный воздушный двигатель. Система «Hybrid Air» использует сжатый воздух для перемещения колес автомобиля при движении до 43 миль в час. Peugeot говорит, что новая гибридная система должна доходить до 141 миль на галлон газа. Модели должны развертываться уже в 2016 году. Руководитель проекта покинул Peugeot в 2014 году, а в 2015 году компания заявила, что не смогла найти партнера, чтобы разделить затраты на разработку, эффективно прекратив проект.

«Ku: Rin» назвал пневматическое трехколесное транспортное средство, которое было создано Toyota в 2011 году. Специальность об этом автомобиле заключается в том, что он зарегистрировал рекордную максимальную скорость 129,2 км / ч (80 миль в час), даже если у нее есть двигатель, который использует только сжатый воздух. Этот автомобиль был разработан компаниями «Dream car workshop». Этот автомобиль прозван как «гладкая ракета» или «карандашная ракета».

В рамках телепередачи «Планетарная механика» Джем Стэнсфилд и Дик Строубридж превратили обычный скутер в сжатый воздушный мопед. Это было сделано путем оснащения скутера пневматическим двигателем и воздушным баком.

В 2010 году Honda представила концепт-кар Honda Air на LA Auto Show.

Поезда, трамваи, лодки и самолеты
Локомотивы с сжатым воздухом – это своего рода бесколлекторный локомотив и используются в горных работах и ​​туннеле.

Различные трамваи с пневматическим приводом были опробованы, начиная с 1876 года. В Нанте и Париже такие трамваи выполнялись на регулярной основе в течение 30 лет.

В настоящее время нет водных или воздушных транспортных средств, которые используют двигатель сжатого воздуха. Исторически определенными торпедами были двигатели сжатого воздуха.