Нитинол
Нитинол.
Нитинол – сплав титана и никеля, обладающий высокой коррозионной и эрозионной стойкостью, а также эффектом памяти формы.
Описание:
Суть эффекта памяти формы сводится к следующему. Изделие сложной формы первоначально подвергают нагреву до красного каления. В данном состоянии оно «запоминает» эту форму. В дальнейшем, после остывания до комнатной температуры, данное изделие можно неоднократно деформировать. При нагреве до температуры выше 40 С о (температура активации нитинола) изделие «вспоминает» свою форму и восстанавливает ее.
Свойства:
– запоминание формы и восстановление первоначального состояния,
– высокая биосовместимость с тканями организма,
– высокая коррозионная стойкость,
– высокая эрозионная стойкость,
– поглощение вибраций,
– допустимая деформация – до 8%,
– допустимое растяжение – до 12%,
– внутреннее напряжение при восстановлении достигает до 800 МПА.
Применение:
– медицина, стоматология,
– производство датчиков,
– космическая промышленность,
– робототехника,
– нефтегазовая промышленность,
– легкая промышленность,
– и пр.
нитинол сплав память проволока свойства состав применение поводки двигатель скрепка металл где можно купить цена за кг википедия форум характеристики сколько стоит в медицине стоимость в нефтедобыче
плотность что делают фиксаторы стент пружина скрепка изделия проводник из эффект памяти форма память формы нитинола видео
устройства с нитинолом
Мировая экономика
Справочники
Востребованные технологии
Поиск технологий
О чём данный сайт?
Настоящий сайт посвящен авторским научным разработкам в области экономики и научной идее осуществления Второй индустриализации России.
Он включает в себя:
– экономику Второй индустриализации России,
– теорию, методологию и инструментарий инновационного развития – осуществления Второй индустриализации России,
– организационный механизм осуществления Второй индустриализации России,
– справочник прорывных технологий.
Мы не продаем товары, технологии и пр. производителей и изобретателей! Необходимо обращаться к ним напрямую!
Мы проводим переговоры с производителями и изобретателями отечественных прорывных технологий и даем рекомендации по их использованию.
О Второй индустриализации
Осуществление Второй индустриализации России базируется на качественно новой научной основе (теории, методологии и инструментарии), разработанной авторами сайта.
Конечным результатом Второй индустриализации России является повышение благосостояния каждого члена общества: рядового человека, предприятия и государства.
Вторая индустриализация России есть совокупность научно-технических и иных инновационных идей, проектов и разработок, имеющих возможность быть широко реализованными в практике хозяйственной деятельности в короткие сроки (3-5 лет), которые обеспечат качественно новое прогрессивное развитие общества в предстоящие 50-75 лет.
Та из стран, которая первой осуществит этот комплексный прорыв – Россия, станет лидером в мировом сообществе и останется недосягаемой для других стран на века.
Нитинол — форма, применение, эффект памяти, состав
Эффект памяти формы — явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации.
История
Советские металлурги Г. В. Курдюмов и Л. Г. Хандрос в 1948 году предложили сплав, наделённый способностью после значительных пластических деформаций восстанавливать первоначальную форму при нагреве до определённой температуры. В 1980 году это изобретение было признано открытием и стало известно как эффект Курдюмова (эффект восстановления заданной конфигурации или эффект памяти формы). В 1962 году Уильям Бюлер вместе с Фредериком Вангом открыли свойства этого сплава в ходе исследования в военно-морской лаборатории. Хотя и сразу было осознано потенциальное применение нитинола, реальные попытки коммерциализации сплава произошли спустя десять лет. Эта задержка возникла в значительной степени из-за чрезвычайной трудности плавления, переработки и обработки сплава.
Открытие эффекта памяти формы в целом восходит к 1932 году, когда шведский исследователь Арне Оландер первым заметил это свойство в золото-кадмиевых сплавах. Такой же эффект обнаружен в медно-цинковых сплавах в начале 1950-х.
Введение
Одно из базовых восприятий людьми явлений внешнего мира — это стойкость и надёжность металлических изделий и конструкций, стабильно сохраняющих свою функциональную форму продолжительное время, если, конечно, они не подвергаются закритическим воздействиям.
Однако существует ряд материалов, металлических сплавов, которые при нагреве после предварительной деформации демонстрируют явление возврата к первоначальной форме.
Применение нитинола(никелида титана) сплавов с памятью формы в медицине.
Травмотология и ортопедия:
Сердечно-сосудистая малоинвазивная хирургия.
Ангиопластика, сужение и расширение, клипирование сосудов, оперативное лечение хронической венозной недостаточности, экстравазальная коррекция функции венозных клапанов, лечение варикозной болезни, шовный материал(нити) для лигирования кровеносных сосудов; I
Стоматология и челюстно-лицевая хирургия.
Восстановительная эндоскопическая малоинвазивная челюстно-лицевая хирургия, лечение заболеваний и повреждений лицевого черепа, остеосинтез при| переломах нижней и верхней челюсти, скуловой кости, после остеотомиии челюстей;
Хирургия желудочно-кишечного тракта, абдоминальная хирургия и колопроктология.
Торакоабдоминальная и желудочно-кишечная хирургия;
Эндоскопическая и лапароскопическая хирургия.
Урологическая хирургия, лечение стриктур уретры, дилатация уретры, анастс-мозы уретры, трансуретральное стентирование;
Офтальмология и микрохирургия глаза.
Гинекология, урогинекология и сексология.
Общая и клиническая хирургия.
Среди ассортимента изделий медицинской техники из сверхэластичных сплавов с памятью формы наибольшее распространение получили: фиксаторы различной, мини-фиксаторы, компрессионные, дистракционные и универсальные, а также согласованные с биоритмами костной регенерации; клипсы; зажимы; скобки, скобы; скрепки; петли; перемычки, пружины, спирали, кольца, дуги и другие проволочные элементы, штифты, жгуты, трубки реконструктивные, втулки цельные и перфорированные, ленты, пластины (плоские, цилиндрической незамкнутой формы, корригирующие и др.), каркасы,
функциональные ортопедические пояса, сетки безузловые и плетёные, стенты сосудистые и внесосудистого применения графты и фильтры, эндопротезы сердечных клапанов, шовный материал, хирургические нити; фольги, гранулы, имлантанты, эндопротезы и дубликаторы замещающие и восстановительные экспандеры, различные трансформируемые специальные устройства (корректоры, дилататоры, компрессионно-дистракционные аппараты) другой различной конфигурации и формы, изделия их композиционного материала «биокерамика-никелид титана(нитинол), изделия из пористого никелида тина(нитинола), в том числе армированные или насыщенные биоактивными и антибактериальными добавками,
хирургические инструменты из сверхэластичных сплавов с памятью формы изменяемой геометрией: скальпели и долота, стоматологические шпатели, диссекторы, распаторы, зонды, хирургические ложки и ножи, зажимы, щипцы, пинцеты, иглы, расширители, в том числе ранорасширители, дилататоры, в том числе полых органов, протезы (сетчатые, кератопротезы и др.) и эндопротезы, устройства доставки, гибкие направляющие катетеры,
литоэкстракторы, тромбоэкстракторы, корзины-ловушки, бужи, электроды специальной формы, приспособления для наложения швов, пульпоэкстракторы, эндодонтические К-файлы, римеры, обтураторы, брекеты, криогенные аппликаторы, криоскальпели, криопинцеты, перистальтические устройства.
Интересная статья? Поделись ей с другими:
Феномен
Чтобы понять эффект памяти формы, достаточно один раз увидеть его проявление (см. рис 1). Что происходит?
Суть явления
Почему так происходит? (См. рис. 2)
Применение:
– медицина, стоматология,
– производство датчиков,
– космическая промышленность,
– робототехника,
– нефтегазовая промышленность,
– легкая промышленность,
– и пр.
карта сайта
нитинол сплав память проволока свойства состав применение поводки двигатель скрепка металл где можно купить цена за кг википедия форум характеристики сколько стоит в медицине стоимость в нефтедобыче
плотность что делают фиксаторы стент пружина скрепка изделия проводник из эффект памяти форма память формы нитинола видео
устройства с нитинолом
comments powered by HyperComments
Характеристики эффекта памяти формы
Плавку производят в вакуумно-гарнисажной или электродуговой печи с расходуемым электродом в защитной атмосфере (гелий или аргон). Шихтой в обоих случаях служит йодидный титан или титановая губка, спрессованная в брикеты, и никель марки Н-0 или Н-1. Для получения равномерного химического состава по сечению и высоте слитка рекомендуется двойной или тройной переплав. При выплавке в дуговой печи рекомендуется сила тока в 1,2 кА, напряжение — 40 В, давление гелия — 53 МПа. Оптимальный режим остывания слитков с целью предотвращения растрескивания — охлаждение с печью (не больше 10 ˚C/с). Удаление поверхностных дефектов — обдирка наждачным кругом. Для более полного выравнивая химического состава по объёму слитка проводят гомогенизацию при температуре 950—1000 ˚C в инертной атмосфере.
Сверхупругость
Другим явлением, тесно связанным с эффектом памяти формы, является сверхупругость — свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения, значительно превышающего предел текучести, полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Сверхупругость наблюдается в области температур между началом прямого мартенситного превращения и концом обратного.
Материалы с эффектом памяти формы
Никелид титана
Лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана (нитинол) — интерметаллид эквиатомного состава с 55 % Ni (по массе). Температура плавления — 1240—1310 ˚C, плотность — 6,45 г/см³. Исходная структура никелида титана стабильная объемно-центрированная кубическая решетка типа CsCl при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение с образованием фазы низкой симметрии.
Элемент из никелида титана может исполнять функции как датчика, так и исполнительного механизма.
Никелид титана обладает следующими свойствами:
К недостаткам материала относят плохую технологичность и высокую цену:
При современном уровне промышленного производства изделия из никелида титана (наряду со сплавами системы Cu-Zn-Al) нашли широкое практическое применение и рыночный сбыт.
Другие сплавы
На конец XX века эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов. Кроме никелида титана, эффект памяти формы обнаружен в следующих системах:
Некоторые исследователи полагают, что эффект памяти формы принципиально возможен у любых материалов, претерпевающих мартенситные превращения, в том числе и у таких чистых металлов как титан, цирконий и кобальт.
Литература
Ссылки
Эта страница в последний раз была отредактирована 16 марта 2019 в 13:42.
Нитинол
Сплав титана и никеля практически в равных пропорциях (45% и 55%) принято называть нитинолом или никелидом титана. Данному сплаву присущи такие свойства, как память первоначальной формы и сверхупругость.
Эффект памяти первоначальной формы нитинола выражается в способности при повышении температуры воздействия до порога фазового превращения восстанавливать деформированный профиль в исходное состояние, которое было придано нитинолу при определенной температуре.
Схема эффекта памяти
Сверхупругость проявляется во время перехода при нагревании из одного структурного внутреннего состояния в другое. При достижении значения фазового превращения сплав как пружина принимает первоначальный вид.
Нитинол свое название получил путем сложения названий материалов (Ni – никель и Ti – титан) и лаборатории, где он был впервые получен (nol — Naval Ordnance Laboratory). Это произошло это в 1959 году.
Свойства нитинола
Нитинол – сплав, обладающий такими технологическими свойствами, как:
Из-за своих свойств нитинол плохо обрабатывается в холодном состоянии. Высокое значение упругости увеличивает силу трения и вызывает повышенный износ при контакте сплава с валами прокатных станов или штампов. При обработке резанием требуются высокотвердые материалы. Низкая теплопроводность препятствует отводу тепла от заготовки.
Сплав нитинол хорошо поддается обработке абразивными материалами – шлифованием, а также электроэрозионной и термической обработке. Резка из листового материала производится абразивным или лазерным способом.
К термической обработке предъявляются особые требования по причине того, что за счет нее производится регулирование температурного диапазона внутренних фазовых изменений. За образование обогащенных никелем фаз отвечает температура и продолжительность выдержки. При снижении количества молекул никеля в матрице повышается температурный предел фазовых изменений.
Способы придания соответствующих качеств нитинолу сочетают в себе холодную и термическую виды обработки. Этим же способом производится регулирование основных свойств нитинола.
Характеристика основного назначения нитинола (восстановление первоначальной формы) подразделяется на следующие типы:
Производство нитинола осложнено тем, что трудно выдержать необходимые пропорции материалов, а при плавлении титан легко взаимодействует с кислородом, углеродом и азотом. При взаимодействии молекулы титана покидают кристаллическую решетку, и снижается температурный предел фазовых изменений.
Для производства нитинола в настоящих условиях широко используются такие методы плавления как:
Плавка вакуумно-дуговым методом осуществляется в среде вакуума, за счет образования дуги при пропускании электрического тока через сырье и плиту. Тигелем служит медная форма, оснащенная водяным охлаждением, которая препятствует проникновению сторонних элементов в расплав.
Плавка вакуумно-индукционным методом осуществляется за счет изменения (индукции) электрических полей, при этом происходит нагрев сырья. Процесс протекает под вакуумом. Тигель для данного плавления изготавливается из чистого углерода, поэтому в сплаве содержание углерода повышено.
В лабораторных условиях не доказано преимущество одного метода плавки над другим.
Также применяются и другие методы плавки:
Эффект памяти
Эффект памяти формы нитинола стал возможен благодаря изменению кристаллической решетки во время полиморфного превращения из фазы аустенита в фазу мартенсита.
Схема фазовых изменений нитинола
Нагретый сплав имеет исходную фазу – аустенит. При понижении температуры сплава исходная фаза самопроизвольно переходит в дочернюю фазу – мартенсит. Процесс обратимый, поэтому при нагревании холодного нитинола фазовое превращение протекает в обратной последовательности. К тому же скорость превращения занимает доли секунды.
Температурные интервалы между началом и концом фазовых изменений выражены точками Ан, Ак для аустенита и Мн, Мк для мартенсита. Температурный диапазон составляет порядка 30°С.
Применение
Благодаря своим уникальным качествам нитинол получил практическое применение во многих сферах нашей жизни:
Самописцы в качестве привода используют нитинол. При подаче напряжения, когда изменяются контролируемые параметры, нитиноловая проволока нагревается. Происходит изменение длины проволоки, и перо с чернилами перемещается по диаграмме.
Дорогая экзотика или недорогой «perpetuum mobile»?
Экология потребления.Наука и техника: Нитинол — это сплав никеля и титана с эффектом памяти формы. Он достаточно сложен в производстве, хотя имеет широкую область применения.
Сплавы с эффектом памяти формы
Советские металлурги Г.В.Курдюмов и Л.Г.Хандорсон в 1948 г. предложили сплав, наделенный способностью после значительных пластических деформаций восстанавливать первоначальную форму при нагреве до определенной температуры. В 1980 г. это изобретение было признано открытием и стало известно как эффект Курдюмова (эффект восстановления заданной конфигурации или эффект памяти формы).
Описываемый эффект практически воспроизводится следующим образом. Предварительно заготовке из такого сплава, например, проволоке, придают требуемую форму. Затем ее нагревают и охлаждают. После чего ее выпрямляют. При последующем нагреве проволока обязательно примет свою первоначальную конфигурацию.
Механизм этого явления до конца не ясен. Мартенситные реакции обратимы. При нагреве образца они идут в одну сторону, при охлаждении в обратную. Происходящее при мартенситных превращениях физические процессы столь сложны, что специалисты говорят о «генетических свойствах кристаллов». Несмотря на неполную ясность физического механизма этого явления, оно входит в нашу практическую жизнь.
В 1958 г. впервые был получен сплав с эффектом памяти формы — нитинол. Нитинол — это сплав никеля и титана. Он достаточно сложен в производстве. Для достижения требуемой переходной температуры соотношение никеля и титана в сплаве должно выдерживаться с высокой точностью. У этого сплава фазовые переходы идут выше комнатной температуры, но ниже точки кипения воды. Если же никелид титана легировать железом, то диапазон температур простирается в интервале от комнатной до температуры кипения жидкого азота. Необходимая чистота производства обеспечивается за счет применения вакуумных печей и сложного вспомогательного оборудования. Поэтому широкое применение нитинола лимитируется его высокой стоимостью, а иногда и инертностью нашего мышления. Но поиски путей снижения стоимости производства нитинола продолжаются. И некоторые фирмы, например «Спешл металс корпорейшн» (США), намерены приступить к промышленному производству нитинола с приемлемой коммерческой стоимостью.
Наиболее распространенные области применения нитинола сегодня
Кроме движителя, построенного в конце XX века американцем Бэнксом, других, реально воплощенных в металле «промышленных движителей» на основе нитинолового привода в мировой прессе не отмечено. Специалистам известно достаточно ссылок (более 1000 по разным источникам) о патентовании различных моделей нитиноловых актуаторов и движителей, но данные изобретения не двинулись дальше патентных заявок.
Робототехника шагнула чуть дальше, используя микронные нитиноловые нити в качестве электронных мускулов. Чаще всего, как всегда, удивляют японцы. При пропускании через нитиноловую нить слабых токов, «мускулы» развивают усилия, в сотни раз превышающие человеческие.
В качестве вспомогательных приложений нитинол используются в целом ряде устройств, конструкции которых предполагают перемещения, вызываемые теплом. Так, например, нитинол используется в устройствах противопожарной защиты, применяется для герметизации стыков летательных аппаратов, подводных лодок и предотвращения утечки радиации на атомных электростанциях. Соединения труб, изготовленных из сплавов с эффектом памяти формы, с соответствующими размерами стенок и муфтой с толщиной тела лишь 2 мм могут выдерживать высокое давление (в пределах сотни атмосфер).
Не отстает от процесса и космическая промышленность. Здесь разработаны «самораскрывающиеся» компактные антенны, изначально, на земле, плотно упакованные для удобства транспортировки в открытый космос.
Широкое применение нитинол получил и в медицинской промышленности. Сегодня во всем мире стали хорошо известны бреккет-системы, применяемые для выравнивания измененного прикуса в стоматологии. Разработаны уникальные стенты для сосудистой хирургии, способные выдерживать от 10 до 20 миллионов циклов «сжатия-расширения» согласно утвержденному регламенту американской FDA и различные ортопедические приспособления, с дозированной корригирующей нагрузкой на область пораженной костной ткани.
Потенциальные сферы применения нитинола
Электромеханический регулятор клиренса автомобиля
Проблема экстренной регулировки клиренса автомобиля распространена в мире повсеместно, в случаях, когда необходимо преодолеть «трудные» участки дорожного пути в несколько километров (пригородное шоссе, размытое дождем, к примеру) и вернуть высоту дорожного просвета «на прежнее место». Варианты решения пневматических подъемников есть, но и жалоб на их эксплуатационную хрупкость так же предостаточно. В альтернативу пневматике, различные фирмы предлагают стойки амортизаторов с механическим способом подъема (резьба — гайка), но тут появляется масса НО, включая одинаковый уровень подъема при неравномерной изнашиваемости амортизаторов спереди и сзади, необходимость обеспечить доступ к гайке, путем снятия колеса. и маникюр, наконец.
Решение с пружиной из нитинола может быть доступно любому автомеханику-сварщику. Учитывая эпизодичность эксплуатации данного привода, конструкция прослужит столько, сколько прослужат и амортизаторы до их замены. Управление в данном случае происходит кнопкой из салона, а время срабатывания — не более 1 мин.
Дизайн бытовых светильников
Данный патент базируется на международном поиске, который не нашел аналогов применения технологии «двойной памяти никель-титановых сплавов» применительно к системам бытового освещения.
Попытки создания плафонов, использующих энергию нагрева лампы для деформации декоративных элементов (лепестков) не получили серьезного внимания со стороны заказчиков — компаний-производителей в силу некоторой ограниченности эффектов (лампа греет только в непосредственной близости). В этом патенте использован иной принцип нагрева, специальными тэнами и экономичными тепловыми кабелями. Такой подход к дизайну светильников создает возможность для широкого производства источников направленного света скрытого монтажа. Источники света будут «появляться» только при необходимости (варианты применения — медицинское освещение, автомобили, интерьерный минимализм в дизайне, ванные комнаты, аварийное освещение и т.д.). Учитывая частоту использования данных приспособлений (не более 1–3 раз в сутки), можно обеспечить длительную эксплуатацию нитиноловых труб, работающих на пределе допустимых норм мартенситных превращений, без существенного ущерба работоспособности конструкции (10 000 циклов за 10 лет).
Эффективность «нитиноловых приводов»
Высокая эффективность различных актуаторов из никель-титановых сплавов убедительно доказана рядом крупнейших исследовательских институтов, изучающих процессы мартенситных превращений в различных модификациях данных сплавов уже на протяжении 30 лет. Так, например, по выводам японских ученых из компании «Фурукава», добавление в сплав незначительного количества меди (6%) позволяет увеличить «полезный рабочий ход актуатора» до 30 и более процентов. Эта особенность никель-титан-медного сплава сейчас активно внедряется в робототехнику. Насколько при таком режиме обратимы деформации — покажет время.
Большинство специалистов из разных стран едины во мнении, что пластины из титан-никелевых сплавов площадью 6 см2 способны развивать усилие при мартенситно-аустенитных превращениях до 27 тонн или, по данным некоторых российских источников, до 55 тонн на каждый квадратный дюйм сечения детали.
Нитинол и получение электроэнергии
Эта работа российских изобретателей, на мой взгляд, заслуживает пристального внимания потому, что наглядно иллюстрирует доступный для осмысления процесс и наталкивает на размышления о очевидности использования нитинола в качестве высокоэффективного электромеханического привода для генерации электроэнергии. Почему именно для электроэнергии? Потому что энергия, затраченная на нагрев металлического изделия, умещающегося на ладони, и потенциальная работа, произведенная этим изделием после нагрева несопоставимы, даже в том случае когда пруток нагревается электрическим источником мощностью 5 кВт. Более того, по заверению уважаемой государственной организации FDA (Food and Drug Administration, контролирует в США качество пищи и медицинских средств), процесс нагрев-охлаждение без существенных остаточных деформаций может продолжаться в течении нескольких миллионов циклов.
Попробуем, для начала, оценить усилие в 26,5 тонн с точки зрения стандартных величин, используемых для расчетов различных «вращательных» конструкций.
Из справки:
Килограмм-сила (кгс, kgf) — равна силе, сообщающей телу массой один килограмм, ускорение 9,80665 м/с2 (нормальное ускорение свободного падения).
1 кгс = 9,80665 ньютонов (точно)
10 Н
1 тс (тонна-сила) = 103 кгс = 9806,65 Н
Следовательно, в мм2 Нитинола при деформации, согласно работе авторов-разработчиков ножниц развивается усилие в 600 Ньютонов!
Пруток-актуатор изобретенных ножниц, при заявленных 26.5 тоннах генерируемого усилия, развивает уже чуть более 260 000 Ньютонов.
Много это или мало?
Рассмотрим низкооборотный ветрогенератор. Предположим, что именно его мы хотели бы разместить в подвале собственного дома, в качестве автономного «производителя» электроэнергии. Низкооборотный означает, что без потери в эффективности выработки электроэнергии, данный генератор может использовать скорость вращения вала ротора от 100 до 600 об/мин, вместо 1 500 и 3 000 об/мин как у обычных жидкотопливных генераторов. Меньше скорость — меньше сил, затраченных на развитие этой скорости. По убеждению разработчиков, конструкции на постоянных магнитах работают до 20 и более лет без замены деталей.
«Домашняя» модель на 12 кВт (производство Англия-Китай):
эффективная скорость вращения ротора 140 об/мин;
масса 359 кг;
инерция ротора 1.59 кг м2;
материал магнитов — NdFeB (редкоземельные неодимовые);
крутящий момент 800 Н м.
Из всех вводных спецификации нас интересует последняя — крутящий момент. Данный момент имеет размерность ньютон-метра (Н·м).
1 Н·м — момент силы, равной 1 Н, относительно точки, расположенной на расстоянии 1 м от линии действия силы.
Пусть радиус «маховика» нашего, теоретического, вращающего ротор генератора привода из нитинола составляет 1.2 метра. Сил в Ньютонах, казалось бы, предостаточно. Но не все так просто при организации перехода поступательного движения в энергию вращения. Точкой приложения сил вряд ли будет служить периферия маховика, усилие будет акцентировано недалеко от центра. Предположим, что диаметр оси, где расположится основное приложенное усилие 50 мм. Следовательно, мы должны умножить общую силу, вырабатываемую прутком-актуатором на короткое плечо радиуса оси — 25мм.
Умножаем 260 000 Н х 0.015м = 6 500 Н·м.
Значит, произведенное нитиноловым прутком усилие, организующее крутящий момент ротора в восемь раз превышает усилие, необходимое для вращения генератора на 12 кВт. Вот и предварительный ответ на вопрос — много это или мало? Это много.
Столько нам не надо.
Согласно спецификации тех же английских производителей, страгивающий момент для 30 кВт-ного генератора будет равен 31 Н·м, а рабочий крутящий момент порядка 2 500 Н·м.
Попробуем теперь трансформировать «чудесную силу» короткого движения актуатора в плавное, постоянное вращение ротора генератора мощностью 30 кВт и попутно понять, «во что обойдется нагрев» нитинолового актуатора?
Это будет всего лишь концепт генератора с нитиноловым приводом, базирующийся на достаточно разрозненных, общих данных (включая механические ножницы, безусловно). Посему, за некоторые чрезмерные допущения и технические неточности хотелось бы предварительно извиниться.
Нитиноловый импульсный электромеханический привод
Из технического описания полого нитинолового прутка термомеханических ножниц мы помним, что размеры актуатора были таковы:
длина прутка — 15 см;
диаметр — 4 см х 2 см.
Уменьшаем диаметр прутка вдвое, так как резать металл мы не будем, да и сдвигать с места 26.5 тонн, в бытовом приложении, особого смысла нет. Актуатор выполняется в виде сменного картриджа, для удобства самостоятельной его замены после срабатывания определенного кол-ва циклов, (на схеме ниже изображен условно) раз в 20-30 лет при цикличности нагрева, предположим, в 5 мин. (Количество циклов за 30 лет составит 6 млн. при круглосуточной эксплуатации, из 10 млн. гарантированных многими зарубежными производителями).
О скорости нагрева и расчетной силе тока пока можно судить только косвенно. Прямых данных у нас нет. Есть только короткий абзац авторов ножниц: «Благодаря низким температурам, необходимым для подогрева стержня, источником энергии может служить, например, автономная аккумуляторная батарея, низковольтная электросеть, дросселируемый сжатый воздух, попутное тепло любых выхлопных газов».
Теплоемкость воды равна 4 200 Дж, то теплоемкость никелида титана всего 490 Дж. Но перестрахуемся.
Пусть расчетная мощность нашего нагревательного элемента-спирали, внутри уменьшенного нитинолового актуатора-пластины будет 5 кВт (мощность стандартного электрочайника 2 кВт и 1 литр воды закипает в нем за 3 мин).
Следовательно, мы можем с известной долей уверенности предположить, что хорошо организованный конвекционный нагрев позволит выйти на расчетные параметры — от 45 секунд до 1 минуты. Щадящий режим эксплуатации, так сказать. Но, тем не менее, запасемся дополнительным временем (+2 мин), так, на всякий случай. 5-киловаттный источник будет нагревать наш актуатор 3 мин(!) на 20-30°С.
Теперь попробуем «нарисовать» автономную установку по производству электроэнергии, расположив ее на борту среднего трехэтажного дома жилой площадью 300 м2. В условиях суровой российской зимы дому потребуется не менее 0.7-1 кВт на 10 м2 жилой площади. В итоге 21-30 кВт на 300 м2.
Начнем с трансформатора. В нем вся сила! Здесь уместно было бы вспомнить опыты Паскаля с 4-х метровой трубой и «порванной от давления воды бочкой».
Увеличим диаметр трубы произвольно и водрузим ее в подвале дома примерно так:
Жизненный опыт подсказывает, что если дно емкости от давления не провалится сквозь пол, значит поршень примет на себя всю энергию Паскалевой трубы, и ситуация после нагрева и охлаждения актуатора из нитинола (в силу гравитации) будет выглядеть примерно так:
Остановимся на данной конструкции «трансформатора-мультипликатора» короткого усилия актуатора в длинный ход поршня.
Далее для запуска процесса производства электроэнергии нам потребуется пусковой автономный блок нагрева (на дальнейшей схеме он не показан). Стандартным решением для такого случая будут 2 обычные солнечные монокристаллические панели 2 х 240 Вт, смонтированные на крыше дома (1800 х 1000 мм каждая). Потребуются так же обычные
Да собственно, и все. Так как аккумуляторы нам нужны лишь эпизодически, при запуске, их подзарядка — процесс длительный и плановый (при неработающем генераторе). Солнце когда-нибудь да выглянет и зарядит. При работающем генераторе подзарядка происходит в режиме, аналогичном подзарядке автомобильного аккумулятора. Поэтому детально останавливаться на этом блоке не будем. Есть пусковой ток и всё. Как данность.
Теперь приступим к «сборке» всего воедино.
Принципиальная схема нитиноло-гидравлико-пружинно-маховичного привода вращения вала генератора
Звучит разухабисто. На самом деле привод достаточно прост:
Безусловно, многие узлы обозначены лишь схематично (конфигурация актуатора, спираль, в качестве нагревательного элемента может быть успешно заменена высокоэффективным прямым нагревом, с подачей напряжения в 400В и мощностью 5 кВт, или инфракрасным нагревом с высокопрочным кварцевым кожухом, и т.д.).
Но суть установки в целом, отражена, полагаю, наглядно. Несколько смущает масса пресса, но вместо дорогого металла в качестве утяжелителя может быть использован засыпной песок.
Площадь малого цилиндра 10 см2. Размеры пресса 70 см х 30 см. Судя по данному соотношению, мы можем выиграть в силе в сотни раз и вытолкнуть в просвет «ствола» малого цилиндра чуть меньше литра жидкости.
Система охлаждения актуатора организуется за счет давления пресса на жидкость по капиллярным каналам внутри груза при его опускании.
Устанавливаем в подвале дома наш низкооборотный генератор на 30 кВт.
Монтируем маховик — накопитель энергии нитиноло-гидравлического актуатора. Полый диск маховика имеет одну важную особенность, он содержит внутри своего корпуса дополнительный аккумулятор — пружинный накопитель энергии.
Теперь попытаемся представить, что будет происходить при мощном, но коротком усилии актуатора.
Активизируем нагрев. Приподнимаем плиту массой 3 тонны на 1.5 см. Выключаем нагрев. Плита начинает опускаться сомостоятельно, в силу гравитации, давить на жидкость и возвращать актуатор к исходному «стартовому» положению. Попутно, пресс, при своем движении вниз еще и охлаждает актуатор.
При движении малого поршня влево, за счет давления жидкости, зубчатая рейка передает линейно всю энергию возросшего давления жидкости зубчатому колесу, посаженному на ось маховика посредством обгонной муфты.
Обгонная муфта входит в зацепление с осью и, в свою очередь, передает энергию поступательного движения упругим виткам пружины маховика. При обратном движении обгонная муфта позволяет зубчатой рейке актуатора двигаться свободно, без нагрузки.
Масса маховика 350 кг. По окончании поступательного движения актуатора, мы передали большую часть всей энергии маховику, превратив ее в запасенные силы упругости пружины, оставшуюся часть расходуем на попутные издержки любого механического преобразования. Процесс запущен. В результате мы имеем взведенную пружину маховика и потенциальную энергию вращения 350-килограммового стального диска радиусом 60 см. Маховик плавно страгивается и начинает вращаться, приобретая кинетическую энергию, которая будет нам существенно помогать при последующих циклах. При этом, силы упругости в сжатой пружине распределяются таким образом, что формула, по которой вычисляется радиус приложения основного усилия. уже не работает. Пружина стремится раскрутить маховик одновременно по всей площади полого диска, начиная от тяжелого обода и до точки приложения силы у радиуса звездочки.
В это период наш актуатор может спокойно восстанавливать свои силы для следующего «рывка». Плита, с помощью сил гравитации и вытесненной вверх охлаждающей жидкости взведет его в стартовое положение без избыточного давления, опустившись своей массой в конце движения на специальные ограничители.
Актуатор отдыхает, а энергия, запасенная в пружинном аккумуляторе, постепенно выделяется, преобразуясь в кинетическую.
Что мы имеем в итоге?
Очевидно, что имея после нагрева актуатора усилие в 3 тонно-силы опускающейся плиты, приложенные через гидравлику к жесткой ненапряженной пружине маховика в течение 2 мин, мы аккумулируем колоссальное количество энергии для вращения ротора генератора. В случае, когда диаметр звездочки оси равен 100 мм, а радиус приложенной силы соответственно 50 мм, мы имеем ориентировочно 1 500 Н·м крутящего момента для нашего генератора. Пружина не только создает некий запас для плавного поддержания крутящего момента на те 3 мин, которые необходимы для организации следующего цикла нагрева актуатора (сколько точно, зависит от числа витков пружины и ее упругости), но и увеличивает крутящий момент вдвое за счет перераспределения точки приложения основного усилия.
Если предположить, что точка приложения силы комбинированного привода вращения удалена от центра оси на 100 мм (а это технически выполнимо), крутящий момент составит уже 30 000 Н x 0.1 м = 3 000 Н·м. (плюс упругость пружины по периферии маховика).
Более того, если вернуться немного назад и сопоставить размеры актуатора в термомеханических ножницах с развиваемым ими усилием с нашими соотношениями — 3 тонны груза вместо 26 тонн и лишь вдвое уменьшенная длина и ширина актуатора, — то можно предположить еще большую оптимизацию размеров актуатора под заданную мощность работы и уменьшить интенсивность нагрева.
Значит, в итоге мы имеем с одной стороны
Итого: 930 000 руб. (ориентировочно) на 20 лет.
Резюме
Пускаться в размышления о «сверхединичности» данной системы мне бы не хотелось. Речь идет лишь о ее автономности и компактности.
И повторюсь, что у меня не было изначальной задачи представить совершенно готовое решение вопроса на данных страницах. При публикации своих размышлений, основной мотивацией было желание некоторым образом «сдвинуть точку сборки» у ряда создателей (и заказчиков, безусловно) гигантских ветряных мельниц, змееобразных подводных, «понтонных», «подземных» и «космических» генераторов электроэнергии. Зачем эти монстры. Суть всех процессов в традиционном ДВС можно свести к банальному расширению вещества. Короткое, но мощное усилие при расширении. Остальное — вспомогательные механизмы.
Промышленности известны экономичные гидравлические инструменты, развивающие за счет несжимаемости воды гигантские усилия. Остается лишь трансформировать усилие во вращение и запасти впрок.
Склонность к гигантомании, безусловно, продиктована желанием разработчиков масштабных проектов зачерпнуть обеими горстями у растерянных правительств, но совершенно очевидно, что будущее энергетики не в громоздкой системе транспортировки электроэнергии на многие километры через океан, а в создании ряда автономных центров производства средней мощности, с организацией возможности локальных перетоков на случай аварии. При таком подходе Саяно-Шушенский эффект будет просто невозможен.
Вполне вероятно, что где-то в своих размышлениях о «ветрогенераторе без ветра» я допустил технические ошибки. Но в сухом остатке:
Вот, собственно, и вся история. опубликовано econet.ru
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
