21.10.2003 09:33
╘ Трунин А.С., проф., д.х.н., СамГТУ
╘ Макаров А.Ф., с.н.с., НЦ ВостНИИ, г. Кемерово
╘ Лесов В., инженер, СПб
Контакт с авторами: valery.lesov@petroscan.ru рис. см здесь
Не секрет, что в 21 веке на смену ⌠обычным■ двигателям внутреннего сгорания (ДВС) придут альтернативные силовые технологии, подобно тому, как в 20 веке двигатели Н.Отто и Р.Дизеля вытеснили паровые машины 19 века. Ведущие центры и автофирмы уже ведут конкурентную борьбу за ⌠альтернативные■ топлива и энергосберегающие циклы. Перспективна адаптация существующих ДВС к более ⌠водородистым■ и экологичным топливам: спиртам, метану, водороду. Осваиваются альтернативные циклы силовых установок (электротопливные ячейки, гибридные электро-ДВС, с рекуперацией энергии торможения и пр.). Главные проблемы √ пока что высокая стоимость и сложность всего ⌠альтернативного■. В загадочной России многие вещи бывают непредсказуемо "альтернативны", в особенности, чиновники и Грамотные Специалисты. А также плохие дороги, разумеется.
Однако, даже на ⌠альтернативном■ топливе схема поршневого или газотурбинного ДВС √ как тепловой машины для преобразования химической энергии в механическую работу √ на самом деле ⌠неальтернативна■. Всё так же дозы топлива (горючего) должны сгорать в сжатом воздухе (окислителе), а продукты √ толкать поршень или вращать турбину. Адаптация серийного ⌠механического■ ДВС к топливу-метанолу или даже к водороду не претендует на ⌠альтернативную силовую установку■. Принципиальные недостатки воздушно-топливного цикла остаются: ограниченное полезное расширение газов вспышки и затраты мощности на предварительное сжатие воздуха-окислителя. По этим причинам КПД поршневых и турбо-ДВС ограничен до 30-35%, а до 60-70% выделяемой энергии √ бесполезно греют окружающую среду с выхлопными газами, через радиатор и узлы трения. Про ⌠экологичность■ и ⌠возобновляемость■ нефтяных ресурсов речь здесь не идёт.
Но сформулируем проблему ⌠альтернативности■ ДВС в абсолютном ⌠альтернативном■ пределе: альтернативное топливо - для альтернативных циклов, плюс: безопасность, возобновляемость ресурсов, независимость от окружающей среды. Стоимость единицы ⌠альтернативной■ работоотдачи должна быть конкурентоспособна с существующими ДВС, а количество движущихся частей силового агрегата √ минимально, вплоть до полного отсутствия ⌠двигателя■ и ⌠движителя■ или с совмещением их функций в одном компактном силовом узле. Вот это будет взаправду альтернативно! Изобретать, так изобретать. Может ли такое быть?
Топливо, альтернативное и не очень
Новое √ хорошо забытое старое
Вполне ⌠альтернативны■ циклы работоотдачи унитарных топлив; от ⌠греческого огня■ с селитрой и нефтью и китайских "огненных стрел" √ до огнестрельных и оборонных технологий. Унитарные топлива содержат и горючие вещества, и окислители; кислород воздуха им не нужен, и поэтому затрат в цикле ⌠сжатия■ не будет, т.к. всегда будет лишь цикл ⌠чистого■ расширения. Унитарные топлива вполне работоспособны: на сотню км под водой плывут турбо-скоростные торпеды; с высокой скоростью летят ⌠пороховые■ снаряды и работают ⌠безатмосферные■ турбо-насосы жидкостных ракет; с космической работоотдачей сгорают унитарные топлива в твердотопливных ускорителях. Однако, для гражданских технологий ⌠оборонные■ окислители не годятся из-за высокой стоимости, опасности в обращении или токсичности (перекись водорода, жидкий кислород, двуокись азота, перхлораты и пр. экзотические вещи).
Водонитратное топливо для ДВС и удобрений
Проблема ⌠гражданского■ окислителя решается для водонитратных топлив √ на основе нитрата аммония NH4NO3 (удобрение аммиачная селитра, АС) и сорастворимых горючих: ОКИСЛИТЕЛЬ+ГОРЮЧЕЕ+ВОДА. Свойства АС по ГОСТ 2-85 и её растворов изучены в теории промышленных ВВ. Растворонаполненные композиции АС с невзрывчатыми горючими веществами при обычной температуре неспособны к детонации (в отличие от порошкообразных смесей), а при атмосферном давлении √ и вовсе пожаробезопасны в сравнении с бензином. Мировое производство АС около 20 млн.тонн в год. Наиболее технологичны легкоплавкие и высокорастворимые композиции промышленных растворов синтеза АС с аминными горючими (типа карбамида CO(NH2)2, уротропина (СН2)6N4) эвтектической природы. Продукты экзотермических реакций сбалансированных по кислороду композиций: водяные пары (до 60-65%), азот (до 30-35%) и углекислый газ (до 10-15%), например:
3NH4NO3 + CO(NH2)2 = 8H2O (пар) + 4N2 + CO2 .
Экспериментально найден простой способ подавления на 100% окислов азота NOx в зоне реакций конденсированной фазы с горючими аминной природы, чему способствует ⌠молекулярная■ гомогенизация окислителя и сорастворимых горючих в твёрдых или жидких растворах и плавах, а также разнополярная степень окисления атомов азота в аминах и нитратах.
Массовая доля углерода в стехиометрической композиции АС/карбамид 80/20 составляет лишь 4%, что примерно в 20 раз ниже ⌠углеродистости■ топлива-бензина (86-90%) и метана (75%). Заметим, что для 100%-безуглеродных горючих веществ (аммиак, водород, гидразин и т.п.) в смеси с окислителем-АС ⌠углеродистость■ топливных смесей составит 0%, что можно классифицировать как разновидность водородной энергетики унитарных топлив.
Термодинамика унитарных топлив
Степень расширения рабочего тела-газа из конденсированной фазы ⌠пороха■ может достигать до V2/V1 ~1500 единиц, что на 2 порядка превосходит расширение воздушно-топливных зарядов в обычных ДВС, а термодинамический КПД цикла ⌠чистого■ расширения достигает до 87% - при ограничении температуры отработавших газов до Т2 ~1000С (вода √ пар). В самом предельном случае нулевого расширения газов √ взрыв или вспышка в собственном объёме конденсированной фазы (ρ0 ~1,5 г/см3) √ максимальные параметры безводных систем достигают до Т0 ~28000К, Р0 ~5*104 атм.. Энерговыделение (Q,ккал/кг) горячих композиций ⌠сходит на нет■ при содержании воды свыше 50-60% (вода √ пар).
Расчёты по снижению начальных параметров (Т1, Р1) вспышек топливных доз в зависимости от степени расширения V2/V1 в адиабатном цикле до конечных значений (Т2, Р2) приведены в таблице. Показатель политропы для водонитратных вспышек k=1,294.
Таблица
Степень расширения, V2/V1
10
50
100
500
1000
Снижение абс.температуры Т1/Т2
Снижение абс.давления Р1/Р2
1,97
19,7
3,16
157,9
3,87
387,3
6,22
3108
7,62
7621
Термодинамич. КПД
49 %
68%
74%
84%
86%
Потенциальная энергонасыщенность большинства водонитратных композиций находится в пределах 800-950 ккал/кг, с удельным газообразованием примерно 1000л/кг, что соответствует работоспособности современных бездымных пироксилиновых порохов. Опуская скучные расчёты с расширением газов в ДВС (доступные не всем ДВС-никам), уд.расход ⌠жидкого пороха■ по сравнению с топливом-бензином при степени расширения газов V2/V1 = 50 возрастёт до 4-5 раз по массе (или в 2-2,5 раза - по объёму). Однако ⌠большой топливный бак■ √ компенсируется дешевизной компонентов ⌠топлива-пороха■, а возможности форсирования ⌠порохового■ цикла √ отвечают запросам рынка ⌠сделать ближнего хотя бы на дороге■, когда самый навороченный "нитрос" глубоко отдыхает. Поскольку холодный ⌠водный порох■ при любой аварии не может стать ⌠динамитом■, функциональный бак будет ⌠передним бампером безопасности■. Чрезвычайная гигроскопичность эвтектических карбамидсодержащих и пр. смесей исключит самопроизвольное или даже намеренное обезвоживание ⌠пороха■-раствора во всех климатических зонах.
На лабораторной установке обнаружена корреляция между способностью продуктов водонитратного термолиза двигать поршень и расчётной теплотой взрыва (вспышки) - в пересчёте на сухие вещества.
Что может быть проще пороха?
Оказывается, концепция ДВС изначально проста и ⌠естественна■ именно для конденсированных унитарных топлив, без разделения на ⌠горючее■ в баке и ⌠окислитель■ из воздуха.
Оказывается, в теории тепловых машин проще пороха быть не может ничего.
Оказывается, век ⌠нефтяного■ развития ДВС Отто и Дизеля √ ошибка.
Двигатель, очень альтернативный
Гипердизель супер-турбо
Для альтернативного топлива-⌠пороха■ необходимы и альтернативные ⌠безатмосферные■ схемы ДВС. Впрочем, исключив циклы проветривания в схеме 4-тактного ДВС, можно заставить его работать как 2-тактный ⌠гипердизель■ с горячей форкамерой мини-реактора, или даже заново изобрести 1-тактный поршневой цилиндр т.н. ⌠двойного действия■ с мини-реакторами вспышек топливных доз по торцам цилиндра. Если начальные параметры (Р1, Т1) ⌠водопороховых■ вспышек задать по уровню (т.н. ⌠индикаторных■ показателей) рабочей смеси ⌠обычных■ ДВС, то один цилиндр ⌠двойного действия■ будет эквивалентен сразу восьми 4-тактным бензиновым цилиндрам. При большом адиабатном расширении из конденсированного ⌠ничего■ и парообразовании воды-растворителя √ жидкостное охлаждение рабочей зоны необязательно. Для регулирования цикличного сгорания доз ⌠жидкого пороха■ найдены водорастворимые присадки-антидетонаторы и катализаторы.
Эксперименты по окислительсодержащим подсадкам в цикл серийных бензиновых ДВС обнаружили малую скорость сгорания растворов и склонность к детонации комбинированных газоаэрозольных зарядов.
Очевидно, что для непрерывно-турбинных циклов √ дорогие и сложные воздушные компрессоры вряд ли понадобятся, а требования к жаропрочности рабочих зон √ снижаются пропорционально ⌠обводнённости■ окислительсодержащих топлив.
⌠Пороховой■ ДВС сможет работать как на суше, так и в ⌠безатмосферной■ стратосфере, на Луне или под водой.
Мотор-колесо
Весьма ⌠альтернативно■ ⌠унитарное■ мотор-колесо: силовой агрегат под капотом или в багажнике авто отсутствует, а привод колёс осуществляется ⌠встроенными■ в колёса гидро- или пневмо-двигателями, запитанными от центрального мини-реактора √ генератора рабочего тела высокого давления. Основная трудность √ создание ⌠вписанных■ газорасширительных мини-машин с высокой степенью полезного расширения рабочего газа. Зато √ без карданов, коленвалов, трансмиссии, дифференциалов и пр. зауми двигателистов. В крайнем случае, ⌠подрессоренные■ турбины расширения газов или гидромоторы можно разместить над парой ведущих колёс с полуосями.
О летающих и плавающих аппаратах на унитарном топливе, а также других вариантах его применения читайте в следующих выпусках.
Дата публикации: 21 октября 2003
Источник: SciTecLibrary.ru
НАНОТОПЛИВО ГОТОВО К ИСПЫТАНИЯМ
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.