Превод - мой.
Въглищен генератор
Д-р Уилям Жак (William W. Jacques)
Въглищна батерия
За “Въглищната батерия” на Уилям Жак се твърдеше, че работи с 82% ефикасност; критиците му, обаче, показаха, че е пропуснал да вземе предвид топлинната енергия на пещта и енергията, която консумира въздушната помпа. Като резултат, действителната ефикасност беше само 8%. Още повече, че по-нататъшните изследвания доведоха до заключението, че апаратът произвеждаше енергия чрез термо-електричното действие, а не чрез електро-химия. Жак изрично спекулира в патента си, че “Феноменът на електролитното действие кара потенциалната енергия на въглерода да се преобразува в електрическа енергия, вместо в топлинна, какъвто е случаят, когато кислородът се свързва с въглерода без посредничеството на електролит. Желателно е, с цел да се осъществи химическото действие, в последствие на което да се добие по-значителен поток електричество, електролитът изцяло да се пропие с кислород, и това може да се осъществи, като се позволи въздух…”
В статията, публикувана в “Ново Месечно Списание “Харпър” 1896г (Harper’s New Monthly Magazine (1896)), действието на батерията беше обяснено по следния начин: “Не можеше да има съмнение, че електрическият поток се дължеше на химическото комбиниране на кислорода от въздуха с кокса (въглерода). Количествените тестове показаха, че от въздуха е извлечен кислород; че е консумиран въглерод, че се е образувала въглеродна киселина. Още повече, добитата електро-двигателна сила беше почти точно в рамките на онова, което се добива от горенето на кислород с въглерод за образуване на въглеродна киселина (1.04 волта). Това, че феноменът не се дължеше на термо-електрично действие, беше доказано от факта, че когато целият апарат беше затворен по такъв начин, че всичките му части да имат еднаква температура, се добиваше максимално електро-двигателна сила и електрически поток. Отново. По-късни експерименти с много по-големи апарати не само потвърдиха тези резултати, но показаха, че при правилни условия, добитата по този начин електрическа енергия е по същество равна на потенциалната енергия на масата на консумирания в съда въглерод…”
Електричество директно от въглища
Ново Месечно Списание “Харпър” (дата неизвестна; около 1896г)
Бучка въглен гори на решетката. Какво се случва? Въздухът се всмуква под решетката и се издига през железата й. Кислородът се свързва с въглена, за да произведе газ от въглеродна киселина, която, заедно с инертния азот във въздуха и пушека от неконсумирания въглерод, се издига през комина и бяга в атмосферата. Такъв театър разиграват материалите. А какво да кажем за силите? Химическият съюз между кислорода и въглена освобождава съхранената във въглена енергия, и тази енергия, бидейки неразрушима, трябва по някакъв начин да изрази себе си, и затова се показва под формата на топлина. това е цялата история на възпламеняването.
Седейки пред един открит огън, аз често си фантазирах за преобразуване на съхранената във въглена енергия в някакъв друг вид енергия, дори по-полезна за човека от топлината. Знаем, поне теоретично, че всички енергии на природата са взаимно-бреобразими; защо потенциалната енергия на въглена да не може да се преобразува директно в електричество, вместо в топлина? Ако можеше цялата енергия от един килограм въглища да се извлече и да се накара да върши механична работа, тази работа щеше да е повече от дневния труд на някой много силен човек. В обширните въглищни жили, които се откриват навсякъде по повърхността на Земята, природата е съхранила количество енергия, което лесно надхвърля количеството труд на цялата земна популация за хиляда години напред.
Най-удобната и полезната, и следователно най-приложната форма на енергия, е електрическата. Върховенството на електричеството над всички останали природни сили се състои в това, че можем, при желание и без отпадъци, да го преобразуваме в каквито искаме други енергии. Имайки електричество, можем с лекота да произведем топлина или светлина, или механично движение, или химическа сила; само че самото електричество до сега се произвеждаше в достатъчни количество единствено чрез употребата на сложни механизми и на цената на огромни отпадъци.
Електричеството днес се генерира от динамо, което се върти от двигател, който работи с пара, а парата е направена от вода и чрез топлина, извлечена от изгарянето на въглища. Но това е дълъг и заобиколен процес, с огромни загуби на всяка стъпка. Голяма част от енергията на горенето бяга през комуна под формата на топлина и пушек; голяма част от топлината се губи в кипването на водата, за да се произведе пара; голяма част от разширяващата сила на парата се прохабява, когато напуска двигателя; голяма част от силата на двигателя се прохабява в триенето; и също така в самото динамо има загуби. Скорошни тестове, извършени от комитет на Националната електро-осветителна асоциация (National Electric Light Association), показват, че средния завод прохабява 97.4% и добива като електричество само 2.6% от енергията, теоретически достъпна във въглищата.
Следователно проблемът е енергията от въглищата да се преобразува по-директно в електричество; да се разкарат динамото и парния двигател; вероятно да се разкара дори и самата топлина.
Множество експерименти бяха проведени. В миналото, опитите ми се състояха едва в това да премахна динамото и парата, и да преобразувам топлината в електричество. Огън от кокс, горящ върху изолирана решетка, отдаваше някои леки електрически проявления, но не бяха окуражителни. Опитаха се експерименти с всякакви иновативни форми термосноп, но от теорията по въпроса скоро стана видно, че дори не бе теоретически възможно по този начин да се преобразува повече от много малък процент от енергията на въглена в електричество. Генерирането на електрически потоци чрез редуващото се нагряване и охлаждане на магнитните ядра на жицовите намотки не даваше обещания за ефективни резултати. Изпробвах природния начин за създаване на светкавица – изпарението на вода и продължителното разпръскване на водни сферички – и въпреки че успях да произведа миниатюрни гръмотевични бури, количеството добито електричество не беше достатъчно за някаква комерсиална употреба. Действително, изследванията ми ме накараха да се съмнявам дали сборната енергия на енергичната гръмотевична буря, колкото и драматична да е наглед, можеше да се равнява на огъня. За една миниатюрна частица от секундата силата на един гръмотевичен удар е ужасна, но времетраенето й е толкова кратко, че дори и ако можеше да се добие, щеше да върши много малко полезна работа. Пробвах и много други планове, кой от кой по-интересен от научна гледна точка; но от повечето от тях не добих електрически поток, който да е икономически годен за каквато и да е индустриална употреба.
Природата е сдържана любовница, но обича да я ухажват, и от време на време дава окуражителни знаци на усърдния си ухажор; и така се случи, че един ден тайно я изненадах, и открих начина, по който можем да изоставим дори самото горене топлина, и да преобразуваме съхранената във въглена енергия директно в електричество.
Хрумна ми почти като откровение, че ако кислородът във въздуха се накара да се комбинира с въглена при такива обстоятелства, които да предотвратяват създаването на топлина, като едновременно с това осигуряват проводим път, по който потокът елекричество [липсващ ред от текста] въглена за кислорода по нужда ще бъде преобразувана в електричество, а не в топлина; защото коя да е форма на електричество ще бъде преобразувана в такава друга форма на енергия, която е най-лесна за проявление в заобикалящите условия. При правилните условия, потенциалната енергия на въглена по-скоро ще се преобразува в електричество, отколкото в топлина.
Това доведе до експерименти, в които въгленът беше потопен в течност, така че кислородът от въздуха да не влезе в директен контакт с въглена и да предизвика възпламеняване. После, беше избрана такава течност, че когато през нея въгленът се обдуха с въздух, кислородът от въздуха временно да влезе в химически съюз с течността, след което да бъде залят от ново количество въздух и да бъде принуден да се комбинира с въглена. Можем да си представим всеки следващ атом кислород, на път от източника на въздух към течността на въглена, как временно влиза в химически съюз с всеки един от редица атоми от течността, точно както всеки следващ човек, танцуващ танца “Ляво и дясно” временно сключва ръце с всяка една от дамите в групата. Когато едно вещество преминава през друго по този начин, то създава коридор, по който може да протече електрически поток, така че когато кислородът бъде накаран да се комбинира с въглерода през междинната течност, се създава възможност за възникване на електрически поток, и тъй като не може да се осъществи възпламеняване, химическият афинитет на въглена към кислорода се изразява директно в електричество, а не в топлина. Течности, които позволяват атоми кислород и електрически поток да преминават през тях по такъв начин, могат да се нарекат “електролитни преносители”.
Така аз открих нещо, което считам за нов факт или принцип, който до сега не е бил известен в естествените науки – принцип, който се надявам да бъде толкова ценен за чистата наука, колкото изобретението ми обещава да бъде ценно за полезните занаяти. Казано научно, откритието ми е, че ако кислород от въздуха се накара да се комбинира с въглерод, не по директен начин както при възпламеняването, а чрез междинен електролитен преносител, съхранената енергия във въглерода може да се преобразува директно в електрическа енергия, а не в топлина.
По-грубо казано, изобретението ми е относно генериране на електричество, като се накара кислорода да се комбинира с въглерода под повърхността на подходяща течност.
Изобретението е процес; то не е машина. Процесът може да се проведе посредством много прост апарат. Ранен вариант на апарата се състоеше от платинен тигел с размера и формата на чашка за кафе, отчасти пълен с обикновен поташ (калиев карбонат), държан в течно състояние чрез нагряване на тигела с газов пламък. В течния поташ е потопен, окачен на платинова жичка, парченце обикновен кокс с размера на фъстък. В стопения поташ се вдухва струя въздух чрез платинова тръбичка, като сламка. Жицата, на която е окачен въглерода, представляваше отрицателния полюс, а втора жица, прихваната за тигела – положителния полюс, на генератора. Като вързах тези жички за малък електрически мотор, открих, че когато в поташа се вдухваше въздух, моторът стартираше; когато въздушният поток се прекъснеше, моторът спираше. Чрез този мъничък апарат се добиваше няколко ампера електричество. Електро-двигателната сила беше малко над един волт.
Не можеше да има съмнение, че електрическият поток се дължеше на химическото комбиниране на кислорода от въздуха с кокса (въглерода). Количествените тестове показаха, че от въздуха е извлечен кислород; че е консумиран въглерод, че се е образувала въглеродна киселина. Още повече, добитата електро-двигателна сила беше почти точно в рамките на онова, което се добива от горенето на кислород с въглерод за образуване на въглеродна киселина (1.04 волта). Това, че феноменът не се дължеше на термо-електрично действие, беше доказано от факта, че когато целият апарат беше затворен по такъв начин, че всичките му части да имат еднаква температура, се добиваше максимално електро-двигателна сила и електрически поток. Отново. По-късни експерименти с много по-големи апарати не само потвърдиха тези резултати, но показаха, че при правилни условия, добитата по този начин електрическа енергия е по същество равна на потенциалната енергия на масата на консумирания в съда въглерод.
Изобретението беше успешно. Електричество се добиваше директно от въглерод. Дали щеше да работи в по-голям мащаб? Можеха ли да се преодолеят множеството практически трудности? Платината е по-скъпа дори от златото, и следователно някакъв друг метал трябва да се използва. Опитах желязо, но така добитото електричество от железен съд беше много малко.
Съдовете от мед, олово, цинк, калай, алуминий, никел и магнезий бяха унищожени. Златото и среброто дадоха добри резултати, но по-лоши от платината. Повтарях експериментите отново и отново. На теория не изглеждаше да има причина желязото да не работи толкова добре, колкото платината, и направих варианти от всякакви видове желязо.
Най-накрая открих причината. Повечето железни мостри имат мазна повърхност, която след като се нагрее, се преобразува във въглерод, така че желязото взаимодейства с действието на самия естествен въглен. Това доведе до метод за пречистване на повърхността на желязото; и когато е добре пречистена, железният тигел е толкова добър, колкото е и платинения, и разбира се е много по-евтин.
Започнах да правя тигелите по-големи и по-големи, на ден днешен ги правя колкото варели; а електрическият поток по измервания е стотици ампери.
Трябваше да се преодолеят множество други трудности. Въглищата, както идват при нас от мините, не са добър проводник на електричеството, и въпреки че беше конструиран експериментален апарат, в който се оказа възможно да се консумира обикновен кокс, нахвърлян върху потопена решетка, оказва се най-добре въглищата да се натрошат и да се оформят като големи пръчки с удобен размер, и после да се опекат, за да се разкарат газовите включения и да им се придаде добра електро-проводимост.
Бързината, с която се консумира въглерода, и в последствие силата на електрическия поток, добиван от клетката, значително се усилва, когато всички части на течността изцяло се импрегнират с излишен кислород; и това се прави най-добре, като въздухо-подаващата тръба завършва с розетка, нещо подобно на лейка, така че въздухът да се инжектира като множество фини струи.
Има много видове течности, които може да се ползват като електролитни преносвачи, но за нещастие най-подходящите се превръщат в течности при високи температури; така че определено количество въглища или друго гориво трябва да се гори на скара под съдовете, за да се поддържа тази температура. Той като, обаче, няма значително консумиране на топлина, освен като затопляне на идващия въздух или загуби в топлинна радиация, можем да очакваме, че в един голям апарат, при който голям брой съдове са затворени в сравнително термо-изолирана фурна, консумацията на въглища върху нагревателната решетка ще бъде сравнително много малка. Дори и с малък апарат за две конски сили, при който не са взети твърде сериозни мерки за запазване на топлината, измерванията показват, че консумацията на нагревателната решетка е само 151 грама въглища за една електрическа конска сила. Един парен двигател и динамо с равна мощност консумират поне 40 пъти по толкова.
Стопеният поташ има много предимства като електролитен преносител, но има и недостатъка, че повече или по-малко поглъща въглеродната киселина, отделяна от въглерода или съдържаща се във въздуха; така че ако се използва поташ, въпреки че част от въглеродната киселина е заметена от азота, и повечето от нея може да бъде отведена до повърхността и освободена, като към поташа се добавят подходящи преносители на въглеродна киселина, рано или късно поташът се замърсява и трябва да се пречисти. Избирайки електролитни преносители, които нямат афинитет към въглеродната киселина, се избягва нуждата от често пречистване, защото, за щастие, консумирането на въглерода е толкова по-цялостно, отколкото е при обикновеното горене, че със сравнително чисти проби въглища остава само мъничко количество пепел, лесна за почистване.
Количеството електрически поток, което може да се извлече от един съд е около три четвърти ампер за 6.5 кв. см въглеродна повърхност; така че съд, съдържащ шест пръчки въглерод, всяка с диаметър 7.5 см и дълга 45 см, което е удобен за произвеждане, боравене и употреба размер, дава 750 ампера, или малко повече от една конска сила. Електро-двигателната сила на всеки съд, без значение дали малък или голям, е малко повече от един волт. Когато се иска по-голям волтаж, наличната бройка съдове се свързват последователно и се нагряват в една обща пещ. Въздухът се вдухва чрез електрическа въздушна помпа, работеща с малка част от генерираното електричество.
Би било преждевременно да се опитвам да дам крайни данни за ефикасността на новия процес, приложен в голям мащаб. Постоянно се правят подобрения. В сравнение с модерните парни двигатели, до сега са направени само малки въглеродни електрически генератори; и не бива да се забравя, че с този генератор, както и с парния двигател, по-големият размер означава по-голяма ефикасност за килограм въглища, особено що се отнася до въглищата, консумирани на скарата за подгряване. Ще дам, обаче, някои резултати от тестове (направени от експерти, които нямат връзка с разработването на изобретението) с малък и сравнително грубо направен въглероден електрически генератор с две конски сили, който е влизал в употреба от време на време в последните шест месеца:
– Средна електрическа конска сила: 2.16 кс
– Средна електрическа конска сила, консумирана от въздушната помпа: 0.11 кс
– Въглерод, консумиран в съдовете за електрическа конска сила: 0.101 кг
– Въглища, консумирани на нагревателната скара за електрическа конска сила: 0.152 кг
– Обща консумация на гориво за електрическа конска сила: 0.253 кг
– Електричество, добито от 0.453 кг въглища*: 1336 ват часа (32% от теоретически възможното за добиване)
(*0.182 кг в съдовете и 0.271 кг на нагревателната скара)Така, ефикасността на този индивидуален генератор е 12 пъти по-голяма от тази на електроцентралите, използвани в тази държава, и 40 пъти по-голяма от електроцентрала с еднакви размери.
Има, обаче, много подробности, които все още трябва да се обработят, и има много подобрения за правене, преди въглеродният електрически генератор да може да влезе в комерсиална употреба в мащаб, сравним с този на модерните парни двигатели. Противно на някои изказвания, които прочетох, според мен ще мине известно време, преди динамото да отиде при вехториите и преди колелата на парния двигател да спрат да се въртят.
Интересно е да се спекулира какъв ли би бил резултата от това откритие, когато, след достатъчно време, се обработят всички подробности.
Първото голямо поле на това изобретение е енергетиката. Изобретяването на парния двигател бързо удвои производствените възможности на света.Само в тази държава днес той върши работата на 100 милиона мъже, или на 350 милионна популация. Сега идва сила, много пъти по-ефикасна от парния двигател, и много по-удобна.
Изглежда няма никакви непреодолими препятствия за конструирането на въглеродни електрически генератори, които ще отопляват и осветяват железниците ни и ще ги задвижват със скорост 160 км в час. Тъй като електричеството, като парата, може да се приложи директно като въртящо движение на всеки чифт колела по протежението на влака, не само че влакът може да развие по-голяма скорост безопасно, но може и да потегля и да спира бързо, и би бил под съвършен контрол. Няма да има сгурия и дим.
Транс-атлантическите ни лайнери – вече не “параходи” – няма да бъдат ограничавани в скоростта си в полза на гориво-преносимия капацитет. По-голямата част от пространството, което сега се запазва за въглища, и всичкото пространство което сега се отдава на бойлери и двигатели, ще бъде достъпно за пасажери и товари… и тн.
[Заключителният параграф липсва]
Фигура 1: Елементарна клетка ~ Разглобена, за да се види съдът, пръчката въглерод с желязно окачване и въздухо-подаващата тръба с дюзата й. Този въглерод е дълъг 50 см и обиколката му е 25.4 см и отдава около 150 ампера ток. Електро-двигателната сила е 1 волт.
Фигура 2: Въглероден електрически генератор ~ Захранващ електрически мотор. Този генератор се състои от топлинно изолирана пещ, в която шест клетки като на Фиг. 1 са свързани последователно и са окачени над нагряваща скара за въглища.
Фигура 3: Голям въглероден електрически генератор ~ С който понастоящем се правят експерименти. Тухлената пещ е 0.92 кв. м и 1.82 м на височина. Показани са две свалени клетки. Всяка съдържа 6 въглеродни пръчки, дълги по 1 м. Очаква се, че, когато се усъвършенства, този генератор ще отдава около 40 електрически конски сили.
Списание “Електрически преглед” 38 (970): 826 (26 Юни 1896г)
100 клетки, свързани последователно върху пещ (температура на електролита: 400-500 Целзий); Добив: 16 А / 90 V
“Един въглерод, С, е потопен в разтвор на сода каустик, Е. Помпа, А, вдухва въздух през перфорирана дюза, R, която разпределя въздуха на равни части из електролита. Положителният полюс е монтиран върху железния приемник, I, съдържащ разтвора, а отрицателният полюс
е монтиран върху въглерода, който е окачен и изолиран от приемника чрез яка, S. Две тъби, o и i, служат за наливане и източване на разтвора.”
