1. Эксэрготрансформаторный универсальный двигатель.
Эксэрготрансформаторные двигатели в 21-м веке, заменят
существующие низкоэффективные тепловые двигатели, как на земле,
так и в воздушном пространстве. Преимущество
эксэрготрансформаторных двигателей в том, что они могут
развивать любые мощности и скорости как на земле, так и на высотах
от нуля и до 40км. КПД их в 1.5 ÷2 раза выше существующих типов
двигателей.
1
2. Существующие способы преобразования тепловой энергии в
механическую работу, открытые в 19 веке, достигли совершенства, и
дальнейшее их усовершенствование становится экономически не
оправдано. Существующие тепловые двигатели сложные в ремонте,
дорогостоящие при изготовлении, не надежные в работе и
экономически неэффективные. Существующие способы преобразования
тепловой энергии в механическую энергию, естественным образом
устарели, поэтому нуждаются в замене.
Рассмотрим проект универсального эксэрготрансформаторного
двигателя в специальном канале, которого происходит
преобразуются в работу (эксэргию) сверхвысоких температур рабочего
газа и одновременно с горением топлива при V = Const происходит
увеличение давления в движущемся потоке. Выполнение этих условий
возможно только при безударном способе сложения потоков газа.
Открыт способ безударного сложения потоков газов и изготовлено
устройство, в котором он реализуется. Данное устройство названо нами
эксэрготрансформатором.
Цель разработки – создание универсального двигателя, в котором
значительна часть тепла сгорания топлива преобразуется в эксэргию.
Эксэргия, в виде кинетической энергии потока газовоздушной смеси,
выходящая с диффузора универсального двигателя, может быть в
дальнейшем преобразованная в работу.
Универсальный двигатель состоит из двух ступеней:
эксэрготрансформаторной камеры сгорания топлива, являющейся его
первой ступенью и вторая ступень, представляющая собой
эксэрготрансформатор.
В камере сгорания около половины тепла преобразуется в
кинетическую энергию продуктов сгорания, обладающих высокой
температурой. Для доработки остаточного тепла первой ступени газ
направляются в эксэрготрансформатор (вторая ступень), где он
выполняет работу по всасыванию и сжатию наружного воздуха.
Далее потоки продуктов сгорания топлива и воздуха складываются в
один поток, который со сверхзвуковой скоростью поступает в диффузор,
где его скоростной напор преобразуется в давление.
Результат преобразования таков:
Масса газовоздушной смеси на один килограмм топлива - М=118 кг,
давление Р. =0.834Мпа, температура торможения Т.=649°К.
КПД универсального двигателя 81,3%.
Расчеты прилагаются.
2
4. Расчет первой ступени двигателя - эксэрготрансформаторной камеры
сгорания.
Начальные условия примем.
Теплота сгорания условного жидкого топлива 42000 КДж/кг.
Для сгорания 1кг. топлива необходимо 14 кг. воздуха.
При сгорании 1кг воздуха в парах топлива выделяется 3000 КДж. тепла.
Удельную теплоемкость для воздуха и продуктов сгорания примем
постоянную: Ср. = 1КДж/кг. град.
Камера сгорания имеет запальное устройство, в которое подается 1кг.
топлива с наружной температурой 288.°К. и 3кг. воздуха с давлением
0.68МПа и температурой 498°К.
При сгорании воздуха в парах топлива в запальном устройстве выделяется
тепло: 3000 ×3=9000 КДж.
Температура смеси в запальном устройстве:
(288×1 +498×3 +9000)/4 = 2695°К.
Иллюстрация расчета происходящих процессов изменения состояния газа,
показана в T-S диаграмме.
Энергия паров топлива и продуктов его сгорания (рабочей газ) выполняет в
эксэрготрансформаторной камере сгорания работу, по всасыванию и сжатию
атмосферного воздуха.
Работа адиабатного процесса 1-2 создает в камере критическое разряжение
процесс 2-3. Ар. = 1560 – 1300 = 260КДж. × 4 = 1040КДж.
Назовем это разряжение «потенциальной ямой».
Работа всасывания процесс 4-5 одного килограмма воздуха.
Авсас. = Ср×(Т4 – Т5) = 1×(288 – 240) × = 48 КДж.
Масса всасываемого атмосферного воздуха.
Мв. = 1040 : 48 = 21.66кг.
1 кг. рабочего газа выполняет работу по всасыванию и сжатию m = 5.417кг.
наружного воздуха. Наружный воздух, реализуя разряжение «потенциальной
ямы», со звуковой скоростью поступает в неё - процесс 4-5, где происходит
его встреча с рабочим газом.
4
5. Процесс энергообмена состоит в следующем: Рабочий газ, выходя из
«потенциальной ямы в процессе 3– 3 изотермического сжатия, отдает тепло
холодному воздуху и выходит из потенциальной ямы. Холодный воздух,
получив тепло в процессе 5-4, также выходит из потенциальной ямы и
возвращается в исходное состояние, т.е. его давление, удельный объём
соответствуют первоначальному состоянию т.4.
Пройдя «потенциальную яму», в канале эксэрготрансформатора
продолжается изотермическое сжатие рабочего газа и передача его тепла
холодному воздуху, который в процессе 4 – 7 изохорного сжатия получает
его. Сумма изохорных процессов 4-7 должна быть равна 2-7, отсутствие
равенства компенсируется эксэргией.
Аизох. = (545 – 288)×5.417 = 1392.
Аизоб. = 1560 – 545 = 1015. Недостача – 377КДж.
Расчет по изобаре: 1015 : 5.417 = 187.4.
Сложим и найдем температуру точку 6 на изохоре 4-7. 288 + 187.4 = 475.4
Расчет параметров точки 9.
Р. = (Т×R): V, Р = (475.4×290): 0.8352 = 165070 Па.
Адиабатное расширение газа процесс 7-9 определит параметры точки 9
Т=449,5°К.
Для достижения изохоры Т. = 545°К, необходимо использовать
кинетическую энергию газа.
(1392 – 1015) = 377. 377 : 5.417 = 69.6, 475.4 + 69.4 = 545.
Определим остатки кинетической энергии:
1560 +377 = 1937. 2695 – 1937 = 758КДж.
Оставшаяся кинетическая энергия рабочего газа распределяется по общей
массе взаимодействующего вещества. Процесс 7 – 8.
( 2695 – 1937) : (5.417 + 1) =118.1
Параметры точки т 8.
Т9. = 545 +118.1 = 663°К, Р. = 528640Па.
Произошло сложение двух потоков. Начинается процесс горения паров
топлива в избытке кислорода.
Горение топлива происходит в постоянном объеме камеры сгорания: её канал
имеет цилиндрическое строение постоянного сечения, огражденного на
входе и выходе сверхзвуковой скоростью.
Геометрия канала эксэрготрансформатора, определяет показатель
политропных процессов, которые может быть от 1 до ∞.
5
6. Горение.
Найдем повышение температуры газа при сгорании оставшихся паров
топлива. 42000 – 9000 = 33000КДж.
Общая масса газа на 1кг. топлива: М = 6.417×4 = 25.668.
Повышение температуры будет равно: 33000: 25.668 :1= 1285.6 градуса.
Температурой движущего потока является т.6, параметры которой:
температура Т. = 475,4°К. и удельный объем V = 0.8352.
Температура сгорания топлива точка 11. Тv. = 475.4 +1285.6 = 1731°К.
Далее газ, пройдя канал камеры сгорания, поступает в её диффузор, где
скоростной напор суммируется с давлением в движущемся потоке.
Энтальпия движущего потока 9-8 Ад = (663 – 449,5) ×1= 216,5КДж/кг.
Процесс 11 – 10 сложим энтальпии горения топлива и движущего потока:
1731 + 216,5 = 1948. Давление торможения в точки 10 будет 0,9МПа.
6
8. Расчет второй ступени эксэрготрансформаторного
универсального двигателя.
Начальные условия.
С первой ступени двигателя поступают продукты горения топлива со
следующими параметрами:
массой 25.66 кг/сек, температурой. Т=1948°К, Р=0.9085МПа.
Иллюстрация расчета происходящих процессов изменения состояния
газа, показаны в T-S диаграмме.
Остаточная тепловая энергия продуктов сгорания топлива (рабочий
газ) реализуется во второй ступени двигателя в работу сжатого
холодного атмосферного воздуха. Процессы изменения состояния двух
воздушных потоков аналогичны первой ступени, за исключением
горения топлива.
Работа адиабатного процесса 1-2 создает в камере критическое
разряжение процесс 2-3. Назовем это разряжение «потенциальной
ямой».
Рассчитаем коэффициент всасывания, представляющий собой
отношение работу всасывания рабочего воздуха к работе холодного
воздуха при срабатывании им критическом разряжения.
Работа рабочего газа на создания «потенциальной ямы».
Ар. = Ср×(Т2- Т3) = 1×(1037 – 864) =173 КДж.
Работа всасывания процесс 4-5 одного килограмма воздуха.
Авсас. = Ср×(Т4 – Т5) = 1×(288 – 240) = 48 КДж.
Масса всасываемого воздуха на один кг. рабочего газа.
Ар /Ав = 173 : 48= 3,6
Масса всего всасываемого атмосферного воздуха.
Мв. = 25,66 ×3,6 = 92,4кг.
Общая масса газа на один кг топлива, проходящая через двигатель.
Моб. = 25,66 + 92,6 = 118кг.
Наружный воздух, реализуя разряжение «потенциальной ямы»,
со звуковой скоростью поступает в канал эксэрготрансформатора, где
происходит его встреча с горячим рабочим газом.
8
9. Процесс энергообмена состоит в следующем: Рабочий газ в процессе
изотермического сжатия процесс – 3 - 3, отдает тепло холодному воздуху
и выходит из потенциальной ямы. Холодный воздух, получив тепло в
процессе 5-4, возвращается в исходное состояние, т.е. его давление,
удельный объём соответствуют первоначальному состоянию т.4.
Далее рабочий газ, отдавая тепло в процесс 2-2изотермического сжатия,
а холодный воздух в процессе 4-2 изохорного сжатия получает тепло.
Равенство: Сумма тепловой энергии изохорных процессов 4-8 должна
быть равна сумме тепловой энергии изобарному процессу 2-8,
отсутствие равенства компенсируется эксэргией.
Процесс 4-8: Эизох. = 1× (545 – 288)×3,6 = 925
Процесс 8-10: Эизоб. =545 + 925 = 1470°К.
Расчет тепла, изобарный процесс 8-2: 1037 – 545 = 492.
Найдем точку 7 на изохоре 4-8. 492/3.6 = 137. 288 + 137 = 425
Для достижения изотермы Т. = 545°К, необходимо использовать
кинетическую энергию газа, процесс 10-2.
(1470 – 1037) : 3.6 = 120, 425 + 120 = 545.
Оставшаяся кинетическая энергия рабочего газа 1948 – 1470 =478КДж
распределяется по общей массе взаимодействующего вещества. Процесс
8 – 9. ( 1948 – 1470) : (3.6 + 1) =104КДж.
Параметры точки т 9.
Т9. = 545 +104 = 649°К, Р. = 0,934МПа.
Адиабатное расширение газа процесс 7-6 определит параметры точки 6
Т=354°К.
Полезная работа двигателя: Ап = (649 – 354) × 118 = 34810КДж.
Затраты работы на привод компрессора.
Ак = Ср ×(498 – 288) × 3 = 640КДж.
Расчет КПД эксэрготрансформаторного универсального двигателя.
КПД = (34810 – 640) : 42000 = 0,813 или 81,3%.
9
10. Процесс энергообмена состоит в следующем: Рабочий газ в процессе
изотермического сжатия процесс – 3 - 3, отдает тепло холодному воздуху
и выходит из потенциальной ямы. Холодный воздух, получив тепло в
процессе 5-4, возвращается в исходное состояние, т.е. его давление,
удельный объём соответствуют первоначальному состоянию т.4.
Далее рабочий газ, отдавая тепло в процесс 2-2изотермического сжатия,
а холодный воздух в процессе 4-2 изохорного сжатия получает тепло.
Равенство: Сумма тепловой энергии изохорных процессов 4-8 должна
быть равна сумме тепловой энергии изобарному процессу 2-8,
отсутствие равенства компенсируется эксэргией.
Процесс 4-8: Эизох. = 1× (545 – 288)×3,6 = 925
Процесс 8-10: Эизоб. =545 + 925 = 1470°К.
Расчет тепла, изобарный процесс 8-2: 1037 – 545 = 492.
Найдем точку 7 на изохоре 4-8. 492/3.6 = 137. 288 + 137 = 425
Для достижения изотермы Т. = 545°К, необходимо использовать
кинетическую энергию газа, процесс 10-2.
(1470 – 1037) : 3.6 = 120, 425 + 120 = 545.
Оставшаяся кинетическая энергия рабочего газа 1948 – 1470 =478КДж
распределяется по общей массе взаимодействующего вещества. Процесс
8 – 9. ( 1948 – 1470) : (3.6 + 1) =104КДж.
Параметры точки т 9.
Т9. = 545 +104 = 649°К, Р. = 0,934МПа.
Адиабатное расширение газа процесс 7-6 определит параметры точки 6
Т=354°К.
Полезная работа двигателя: Ап = (649 – 354) × 118 = 34810КДж.
Затраты работы на привод компрессора.
Ак = Ср ×(498 – 288) × 3 = 640КДж.
Расчет КПД эксэрготрансформаторного универсального двигателя.
КПД = (34810 – 640) : 42000 = 0,813 или 81,3%.
9
