Не заменит горелка Бунзена тысячесвечный Осрам. ч1-Происхождение видов.

engineering_ru — 17.08.2021 Или опять о доступном освещении. Переработано и дополнено.
Вообще, до совсем недавнего времени "ночь" означала "темноту". И искусственное освещение в лучшем случае "было". В смысле, было, но света толком не давало. Впрочем и сейчас свечение самых ярких светильников солнечным днем разве что "заметно", а в конце 18 века ситуация была практически безнадежной. Газовые фонари только-только запатентованы, более-менее приличным осветительным прибором была свеча и основной прогрес вертелся вокруг лучшего материала для ярких свеч. Масляные же лампы по конструкции не отличались от ламп времен Аладдина бронзового века. Наиболее перспективной же была лампа Арганда, о которой я уже писал в керогазном посте. Но даже лучшая лампа Арганда на самом лучшем (еще не изобретенном) керосине могла дать ну.. чуть больше десятка свечей. Это в сколь-нибудь вменяемом размере. К аргандовым лампам (новье и хайтек по тем временам) мы еще вернемся, а пока канделябры и люстры, утыканные свечами у богатых, и лучины у бедных остаются основой освещения.

Картинки беспардонно смародерствованы с https://classicpressurelamps.com http://www.aladdinlamps.info https://williamsugghistory.co.uk https://www.luikerwaal.com и оставшейся части интернетов, так что смотреть их можно на свой страх и риск (если совесть вам позволяет игнорировать авторские права). Да, на этот раз даже русскоязычный сегмент выглядит не так бледно, как следовало бы ожидать и принес несколько интересных статей и переводов. И даже часть терминологии уже имеет русские аналоги:)

Ч1. Большие дети.

на грани 18 и 19 веков в руки к ученым попадает новая игрушка - горелка типа паяльной трубки, но на водород-кислородной смеси. Она давала стабильное бесцветное пламя температурой под 2800 градусов - и физики с химиками немедленно начали поджигать и плавить новой горелкой все, до чего дотягивались руки. И шо? Водородное пламя бесцветно и светить не может, да и полосочки в спектроскопе тоже не светят и не греют...
В начале 1820-х британский ученый(тм) Гёрни заметил, что оксид кальция в бесцветном пламени водородной горелки начинает светить белым светом. Вот примерно так:




Эффект заинтересовал и Герни, и других физиков. Почти сразу же Берцелиус обнаружил подобный эффект у солей циркония, а Томас Друммонд, увидев демонстрацию света оксида кальция у Фарадея, вдруг понял: ЭТО ИДЕЯ!

Ч2. В свете софитов

Идея Друмонда была проста, как лом. Раз оксид кальция светится в пламени водородной горелки - значит так и нужно светить! В смысле, водородной горелкой на вращающийся кусок этого самого оксида. Именно такой осветитель он и предложил в 1827 году.

Для городского и вообще какого-либо освещения подобное устройство было дорого и сложно, но вот в театрах освещение сцены "Друммондовым светом" вполне прижилось. Государственные и пожарные надзоры были еще беспомощны, а все большие пожары были еще впереди, так что новый яркий светильник еще несколько десятков лет оставался на сцене. Яркость списывала все недостатки включая пожароопасность и взрывоопасность водорода. Наверное.








В общем, в такой форме калильное освещение прижилось только в театре (где и стало непосредственной причиной изобретения "железного занавеса" лет через 50).

Очевидно, у Друммондова света была пара крупных недостатков:

1. Это водород. Газ редкой падлючести и взрывоопасности. Вырабатывался на специальных установках или в переносном генераторе типа автогена. В любом случае, водород следовало заменить на что-нибудь еще.

Водород можно заменить, например, светильным газом. Это смесь водорода и угарного газа, способная гореть ярким пламенем. Светильный газ вырабатывался на специальных газовых заводах, был ядовит, взрывоопасен - но очень популярен в городах - потому, что ничего лучше для освещения не было.

Или ацетиленом. Ацетилен тоже отлично горит ярким пламенем - но по взрывоопасности и падлючести превосходит даже водород. В небольшом фонаре его еще можно использовать, но в крупных системах он рано или поздно приведет к катастрофе. Впрочем до изобретения карбидного генератора лет через 70, об ацетилене говорить нечего. Он есть, но в промышленных количествах его нет.

Можно даже природным газом, но это уже совсем фантастика - кто будет тащить через сотни километров газ, который толком и светить-то неспособен?


2. Это сама конструкция светильника, сложная и, опять же весьма проблемная.

Во-первых, сама горелка. Для работы кислородной горелки нужен подвод газа и кислорода. Это нормально для лаборатории, но слишком дорого для городских фонарей. Кроме того, у большинства кислородных горелок есть пренеприятнейшая способность к "обратному удару", когда пламя проскакивает в горелку и с шансом отправляется по шлангу в сторону баллона с газом. Это особенно актуально для горелок с низким давлением топливного газа. А значит, кроме всего остального нужны еще специальные клапаны или гидрозатворы, чтоб обратный удар не дошел до топлива.

Казалось, бы, все просто. Инжекторная горелка, правда же, попаданцы? Она проста, к обратным ударам практически не склонна (иначе газовые плиты так и не появились бы), требует подачи только топлива и вообще замечательна во всех отношениях. Вот только пресловутая бунзеновская горелка появится только лет через двадцать. В 50-х годах, почти одновременно с керосином. И до фонарей она дойдет лет еще через эндцать. А самое главное: температура пламени атмосферной инжекторной горелки заметно ниже кислородной, так что ни о каком ярком свете оксида кальция или циркония речь идти вообще не может.

3. Соотношение газов нужно точно регулировать, причем в реальном времени. Здесь техническая мысль 80 лет вертелась, как могла. От газовых подушек



Как простых, так и спаренных





Иногда оснащенных регулировочным механизмом из говна и палок



И вплоть до специальных помп с цилиндрами разного диаметра для накачки нужного соотношения водорода и кислорода



Это очень позднее устройство, времен заката друммондова света - но все равно сложное и хреновое.

В общем, наилучшие результаты регулировки показывало только одно устройство - "интеллектуальный сервитор".

И это было половиной проблемы. Вторая половина была еще занимательнее: в светильниках друммондова света светился здоровенный ролик из извести. Примерно такой:



Такой ролик, накаляемый горелкой выгорал неравномерно, требовал вращения специальным механизмом и большого расхода газа на прокаливание всего объема. Кроме того, неоднородности и даже сырость при таком объеме приводили к растрескиванию при нагреве. Прямо во время выступления оперной дивы. С этим точно нужно было что-то решать и на это ушли годы исследований, по итогам которых выяснилось, что РАЗМЕР ИМЕЕТ ЗНАЧЕНИЕ и в тонком слое светимость и оксида циркония, и оксида кальция заметно возрастают. В 1834 Тальбот создает первый прототип того, что впоследствии назовут "калильной сеткой" - бумажный стаканчик, пропитанный солями кальция. При нагреве бумага сгорала, а минеральный скелет начинал ярко светиться. Увы, прототип так и остался прототипом; друммондос свет до своего заката так и светил раскаленными роликами.

И если в театре с этим можно было бороться или мириться, то сколь-нибудь портативный светильник друммондова света становился невыносимо громоздким. Надо было что-то делать.

Кому же нужен переносной прожектор на водороде? Нууу... Конечно, театры ТОГДА были намного менее илитарным времяпревождением, но для широких масс было и более известное развлечение: ПРЕДСТАВЛЕНИЯ С ВОЛШЕБНЫМ ФОНАРЕМ. То есть, проекционным фонарем со стеклянными картинками, которые позже станут "слайдами".



Картинки могли быть самыми разными - от обучающих и художественных до самых низкопробных ужастиков с адом и демонетками.







Вот только...

Свечной фонарь, фитильная лампа и даже аргандова лампа (типовые источники света в старых волшебных фонарях) этого самого света толком не давали. А вот друммондов свет - если бы его засунуть в проектор... ну хотя бы чемоданного размера...



Хорошо бы, чтоб баллонов не было вообще, а лампа была не сильно больше масляного проектора. Но это даже на середину 19 века было ненаучной фантастикой. Но некоторые идеи появились:

В в конце 40-з годов из нефти начинают получать осветительное топливо - керосин (астралин, пиронафт...). И вместе с керосином появились и новые светильники. Я говорю не о фитильных керосиновых лампах, а о принципиально новых "факельных" (flare) светильниках. То есть, светильники с подачей топлива в горелку под давлением. Это позволяло сильно (до тысяч(!) свечей с одного светильника!) увеличить светимость путем подачи топлива больше, чем мог обеспечить самый производительный фитиль. Давление создавалось гравитацией, нагревом бака или просто насосом. И именно факельные лампы стали прародителями перспективных калильных светильников.





Да, здесь показаны сравнительно поздние образцы факельных ламп, но появляются они как раз в середине 19 века.

Итак, техническая мысль пошла в сторону светильника с подачей испаренного жидкого топлива - в кислородную горелку (без кислорода известь все еще не светила). Если вы представили какой-то вариант керосинореза - забудьте. Никто не искал легких путей. Первые жидкотопливные калильные лампы произошли от весьма экзотических факельных светильников на "карбюрированном воздухе".

И вот тут-то пасть ада и раскрылась.
Карбюрированный воздух - это воздух, насыщенный парами топлива. В устройстве, естественно, названном.. нет, не "карбюратором", а "сатуратором" (впрочем, фактически это был таки карбюратор). В системах освещения использовались плоскодонный карбюратор (воздух прокачивается над поверхностью топлива) и барботажный (воздух пробулькивается через топливо), более известный, как "бульбулятор". В качестве топлива использовался эфир, газолин (легкокипящие фракции нефти; петролейные эфиры) или бензолин (бензол-толуольная фракция отходов коксохимического производства). Так что представьте, бак с топливом примерно сравнимым с эфиром на чердаке и трубки с эфир-воздушной смесью, идущие к газовым рожкам. Можно ли эту систему сделать еще опаснее?

Переносной калильный проектор объединил самые заметные черты друммондова света и карбюрированного воздуха. На фонаре ставился топливный бак-"сатуратор" для эфира (газолина, бензолина...) и трубка для подключения кислородного баллона. В простейшем случае кислород пропускался сквозь эфир в баке и шел в горелку. Оно светило, но работало только на химически чистом топливе (диэтиловый эфир, пентан - никакого фракционного состава; только чистое вещество!)









Если же использовать в таком сатураторе "натуральное" топливо типа газолина или бензолина - то сначала выгорят легкие фракции, потом пламя переобогатится, яркость света резко снизится, а известковый ролик будет испорчен.

Более совершенным был сатуратор с двойной подачей кислорода - часть бульбулировала сквозь топливо (которым мог быть уже и газолин или бензолин) а часть пускалась в чистом виде в горелку. В этом случае горелка работала на смеси карбюрированного кислорода и чистого кислорода - и сервитор мог в любой момент времени подрегулировать пламя.







Жидкотопливный "друммондов свет" на эфир-кислородном, бензолин-кислородном или газолин-кислородном топливе продержались до первых лет 20-го века. Несмотря на высочайшую пожароопасность светильника и самого топлива; несмотря на развитие альтернативных источников света - яркость друммондовых светильников превосходила калильные светильники первого поколения, а удобство использования - атмосферные угольные дуговые лампы. Но для освещения он совершенно не подходил ни в каком виде. Так что инженеры почесали репу и сказали: "Мы пойдем другим путем!"


Ч3. Как однажды Жак звонарь головой сломал фонарь.
Освещение должно быть дешевым, простым и безопасным. А значит, горелка должна быть атмосферной, калильное тело - неприхотливым и способным ярко светить при небольшой температуре пламени.

И только в 1880-х годах ключевые проблемы решились практически молниеносно. В 81 появляются светильники Кламона на инжекторной атмосферной горелке и калильные колпачки на основе соединений магния. Тогда же Котинский создает калильные сетки из окисей стронция, магния, циркония и алюминия. Сетки поначалу были действительно сетками из тугоплавкого металла, например, платины с напылением собственно люминофора. Но уже в 1885 году Ауэр-фон-Вельхсбау подает патент на тканевой колпачок, пропитанный смесью солей редкоземельных металлов. Цирконий, лантан, иттрий, эрбий, церий, неодим... Причем, Ауэр сразу уточнил, что его изобретение применимо "для газовых и иных горелок", до которых я надеюсь дойти очень скоро. Второй же патент дополнительно к редкоземам предложил использовать соли тория и урана. Третий патент должен был защитить наиболее яркую смесь - 99% тория и 1% церия - но Ауэр не один занимался разработкой калильных смесей и "идеальную смесь" описали еще несколько разработчиков.

Очень быстро стали нащупаны и особенности работы фонарей. Не рассчитаны, именно "нащупаны" методом проб и ошибок. Ни физхимия, ни математика тогдашних времен помочь не могли. Работа калильной горелки гораздо сложнее, например, примуса который честно рассчитать стало возможно только "позавчера" - и то, на очень мощном компьютере. Здесь сталкивается изощренная газодинамика, физхимия, химия, физика и квантовая механика:) В общем, инженерам оставалось почти вслепую искать идеальные технические решения.

Одним из них была уже упомянутая смесь тория с церием, светящаяся ярче, чем торий и церий по отдельности. Это свечение объясняется сложным комплексом взаимосвязанных каталитических и термических реакций. Если совсем коротко, то радикалы водорода реагируют с калильным колпачком каталитическим нагревом, раскаляя его до температуры выше температуры пламени. Более того, если газ выключить и тут же снова включить, пока колпачок не успел остыть окончательно, он может разогреться и вновь поджечь газ!
в самой калильной смеси тоже происходит сложное взаимодействие. Окись церия дает лучший люминисцентный эффект, но при высокой температуре, а окись тория - лучший каталитический. И только в смеси происходит каталитический тепловой разгон на тории, достаточный для исключительно яркого света церия.

Во-вторых, колпачок должен точно повторять форму пламени; пламя должно чуть-чуть проходить внешней частью сквозь колпачок. Пока это было несложно. Горелка низкого давления давала достаточно ровное пламя, под которое можно было создать простой колпачок-чулок. Примерно вот такой.





Колпачки первых поколений прожигались еще на фабрике, после обжига покрывались тонким слоем коллодиума так что форму они сохраняли все время и требовали упаковку в жесткие футляры и бережного обращения.

В общем самый большой шаг в уличном освещении был сделан и, как бы это ни звучало, газокалильное освещение начало поистине взрывное распространение.

Уже через несколько лет (1892) была продана почти сотня тысяч газовых фонарей с новыми калильными сетками, в 1894 их уже только в Париже уже было около 150000. В 1898 появились наиболее известные, самые узнаваемые уличные фонари "Виндзор".



Подобные фонари давали свет от 85 свечей (чуть меньше 100Вт лампы*) до бодрых 280 свечей (почти три 100Вт лампы. В общем-то сравнимо с лучшими газовыми фонарями открытого пламени - при несравнимо меньшем расходе газа и (как ни странно) дорогого жаропрочного стекла.
*я надеюсь, 100Вт лампу все представляют?


Я не стану уходить дальше в дебри конструкций фонарей, автоматических запалов и прочих тонкостей; я и упомянул-то их в основном потому, что без них сложно будет понять собственно портативные светильники. В общем, за кратчайшие сроки крупные города получили действительно яркое уличное освещение. В основном уличное. Да, в богатых домах с подведенным газом газовые рожки заменялись на газокалильные - но не всегда. Хотя настоящие буржуИны, считающие каждую копейку, быстро поняли, что расход газа+колпачков обходится дешевле газового рожка.
Дляних немедленно появились тюненг-киты для домашнего газового рожка.







Но даже у самых лучших газокалильных ламп был один фатальный недостаток: они были стационарными. Что очень ограничивало местное освещение. То есть газокалильную лампу на стол или рояль не поставить. В смысле, можно, но настольная лампа со шлангом - это очень стимпанково и очень небезопасно. В смысле, я, конечно, могу представить розетки-ниппели и шланговые светильники, но это будет именно реквизит для стимпанковского сеттинга. А в нашей реальности нужно было топливо, запас которого хранится в самой лампе.

И газ в этом смысле не очень подходил. Вот честно, разминулись* эпохи пропана в баллонах и баллончиках и массовые калильные колпачки. Технически существенных проблем с ними не было, но вот просто "не судьба". Нужно было адаптировать к более популярным сортам топлива. И сразу же начались проблемы.

*Самое забавное, что технические решения, которые я буду ругать, описывая пропановые лампы первых поколений, именно в конце 19 века были бы не просто гениальными, а ультимативными технологиями.

Дело в том, что в жидком углеводородном топливе этого самого углерода от "немало" до "очень уж дохрена", да и другого говна совершенно избыточно. А значит, горелка может коптить гораздо сильнее любой газовой, а копоть просто убивает и без того не слишком стойкий колпачок или сетку. Хуже того, почти все натуральное топливо - это смесь веществ с разными температурами кипения и разными потребностями в кислороде.
Значит нужна горелка, которая сначала испарит, а потом сожжет сложное топливо чистым синим пламенем. Инжекторная горелка с парогенератором.

Первыми эту адаптацию прошли именно городские фонари. Приспособив инжекторную горелку к сверхмощным "факельным" лампам, инженеры создали первые автономные калильные фонари. В такие фонари топливо подавалось из бака в толстом основании столба наддувом из баллончика с углекислотой. Найти картинки фонарей с углекислотным наддувом мне не удалось, но в 1898 американский инженер Китсон предлагает новый вариант автономного уличного фонаря.



Здесь керосин уже подавался давлением воздуха в баке, накачиваемым простым насосом.





Такой фонарь давал от 500 до 1200 свечей и расходовал литр керосина за 10 часов. Для сравнения, прикиньте, сколько сожреть ваш бензогенератор за 10 часов такой нагрузки:)

Также, обратите внимание, в фонаре установлены ДВЕ горелки. Вернее, одна, но с двумя соплами. Оказалось, (совершенно внезапный закон куба-квадрата) несколько маленьких колпачков, нагреваемых отдельными соплами, дают больше света, чем один большой на всю мощность горелки. Так улицы, не охваченные газовыми сетями, получили яркое освещение.

В 1898 первая керосинокалильная лампа загорается на маяке L'lle Penfret, Франция. Увы, найти эту лампу мне пока не удалось:)

Но это было уже на грани веков, а освещать дома хотелось и раньше. И без газовых сетей тоже.

Ч4. Gimme fuel gimme fire..

И вот здесь начинается цирк, легаси, эволюция и инженерное порно.
Итак, нам нужна компактная лампа, способная испарять и сжигать углеводородное топливо синим пламенем высокой температуры. Примус получается какой-то. Кстати, Линдквист со своим Примусом как раз в эти годы показал, что компактная инжекторная горелка на жидком топливе возможна и весьма неплоха.

Вот скажите, сколько времени займет переделка примуса в лампу создание лампы из трех уже готовых компонент - бачка с насосом, инжекторной горелки и колпачка? Думается, месяц-полтора с учетом времени на пьянку, ежечасные перекуры и изготовление оснастки для серийного производства.

Вот, кстати, лампа, собранная из тела второго Шмеля, самопального рассекателя горелки и колпачка.



И она же в облагороженном виде. Сделана умельцем в 2010 годы чисто по приколу.



Так вот, в нашей реальности переход к лампам "типа примуса" занял почти 10 лет! А лампы с очевидно-примусным происхождением так и остались забавными самоделками!

Первым лампам пришлось искать топливо, которое не дает копоти в силу низкого содержания этого самого углерода. Например СПИРТ(ы). Спирт горит без копоти, но весьма низкокалориен. Впрочем, решение всем известно: НУЖНО БОЛЬШЕ ТОПЛИВА. А значит, все равно инжекторная горелка, но не примусная. В общем, спиртокалильным лампам пришлось искать других предков. И предками стали Аграндова настольная лампа (компоновка) и малые образцы гравитационных "факельных" ламп (горелка с испарителем)! Я не знаю, почему, но гравитационная подача очень полюбилась инженерам именно спиртовой техники. В общем, вот, самая старая из найденных мной домашних спиртокалильных ламп образца 1896 года. В таком исполнении лампы назывались "студенческими" "student lamp".







Спиртокалильные лампы произвели настоящую революцию в домашнем освещении. Даже с гравитационной подачей спирта такие лампы могли давать от 60 до 200-250 свечей, что более, чем достойно даже по нынешним временам. Кроме того, в сравнении с керосиновой лампой они производили значительно меньше углекислого газа, как вообще, так и "на свечу". Да и влаги тоже, благо выхлоп пламенных углеводородных светильников основательно повышал уровень влажности в помещении. При этом, цена освещенности была вполне сопоставима с керосиновым освещением. В смысле, спирт был дороже, но светил заметно лучше. Ну и опять таки, запах перегара от лампы все-таки приятнее керосинового выхлопа.

Но керосин все-таки был главным бытовым топливом цивилозованного человека. Керосин. Очень калорийный, порождающий уйму копоти - но незаменимый на грани веков продукт. И снова ирония ситуации. Спиртокалильные лампы уже есть, примус все еще есть. Казалось бы, нужно скомпоновать наддувный бак, парогенератор и бесшумную инжекторную горелку. И керосинокалильная лампа не должна иметь существенных отличий от спиртокалильной.


АГАЩАЗ! Керосинокалильные лампы НЕ взяли родословную от спиртокалильных и НЕ породнились с Примусом (по крайней мере, не сразу). Первые керосинокалильные лампы были ФИТИЛЬНЫМИ.

Их предком стала - тадам - керосиновая лампа-"молния" с трубчатым фитилем, которая была модификацией Аргандовой лампы из глубин времен. Об этих лампах я писал в "керогазном" посте, но теперь на них придется взглянуть чуть внимательнее.



Сразу скажу, случайно найденная "молния" колпачок не раскалит; для этого нужно "синее пламя". Ну а мы уже знаем, что синее пламя можно получить, заменив "трубу" лампы и отрегулировав отверстия в рассекателе и сетке. А получив синее пламя, можно уже и колпачок подвесить... НЕ ДЕЛАЙТЕ ЭТОГО ДОМА. Очень скоро вы поймете, почему.

Первые патенты на керосинокалильные лампы были выданы вездесущему Грецу (1892) и Мюллеру (1895). Причем, лампа Греца рассматривалась для использования с колпачками первого поколения (известковые или циркониевые), а лампа Мюллера предполагала использование колпачков с газовых фонарей.

Грабли пошли незамедлительно. Сама идея была проста и гениальна, горелка выдавала синее пламя - но но но...

Напомню, для оптимальной работы калильного колпачка, его форма должна повторять форму пламени. Кроме того, пламя не должно коптить. И со всем этим немедленно начались проблемы. Колпачки светили плохо, неравномерно, быстро убивались копотью - без каких-либо видимых причин. Что-то мешало во внешне хороших лампах светить нормально.

Газодинамика такая сука! При низкой скорости потока топлива (ограниченном испарением с фитиля и скоростью тяги в колбе лампы) и большой площади пламени (определяемой длиной окружности фитиля) ЛЮБАЯ неоднородность в форме фитиля или потоке воздуха перекашивает пламя. Забившиеся отверстия в сетке, вмятины, деформированный от температуры диск рассекателя или подвес колпачка, нагар на фитиле - оппс, приехали. И ведь в лампе-молнии или обогревателе все это было - но для ухудшения работы нужны были гораздо бОльшие дефекты.

Также оказалось, что рассекатель-пуговица годится для ламп-молний, но для калильного колпачка нужна новая, более стабильная форма пламени.



Но как "пуговица", так и более сложные формы рассекателей типа "Кунт и Десслер" (1898) не давали сколь-нибудь приличного результата.



Такие лампы направляли синее пламя на юбку колпачка-чулочка с газового фонаря, оставляя верхушку менее накаляемой.

В общем, идея была хорошей, но сложно реализуемой. А когда ноука и математика беспомощны, остается ждать гения, способного найти решение без этих сложных дисциплин. Пока же фитильные лампы с трубчатым фитилем производились в основном потому, что у конкурентов дела обстояли не лучше.


Решение явно лежало в плоскости инжекторной горелки и наддува бака с топливом. Примус уже был, но инженеры сказали: МЫ ПОЙДЕМ ДРУГИМ ПУТЕМ - и, взяв за основу факельную безнасосную лампу типа Pigeon пятнадцатилетней давности



создали первую безнасосную калильную лампу с баком под давлением!
Патент на такие лампы был выдан Шустеру и Баеру в 1895 и первые лампы пошли почти сразу же, в 96.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив