25/ноябрь/2017
ПРОМЫШЛЕННЫЕ НОВОСТИ



Свежий номер газеты

Обзор: Альтернативные силовые технологии "ЭПР" (С-Петербург)
В XXI веке на смену «обычным» двигателям внутреннего сгорания должны прийти альтернативные силовые технологии.

Ведущие центры и автофирмы ведут конкурентную борьбу за «альтернативные» топлива и энергосберегающие циклы. Перспективна адаптация существующих двигателей внутреннего сгорания к более «водородным» и экологичным топливам: спиртам, метану, водороду. Осваиваются и альтернативные циклы силовых установок (электротопливные ячейки, гибридные двигатели и др.). Главная проблема – высокая стоимость и сложность всего «альтернативного».

Однако даже на так называемом «альтернативном» топливе схема поршневого или газотурбинного двигателя внутреннего сгорания – как тепловой машины для преобразования химической энергии в механическую работу – на самом деле «неальтернативна». В любом случае дозы топлива (горючего) должны сгорать в сжатом воздухе (окислителе), а продукты – толкать поршень или вращать турбину. Адаптация серийного «механического» двигателя к топливу – метанолу или даже водороду – не претендует на «альтернативную силовую установку».



Топливо, альтернативное и не очень

Вполне интересны 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, так как всегда будет лишь цикл «чистого» расширения.

При этом унитарные топлива вполне работоспособны: на сотню километров под водой плывут турбоскоростные торпеды; с высокой скоростью летят «пороховые» снаряды и работают «безатмосферные» турбонасосы 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 прочие экзотические вещи).



Гипердизель

Для альтернативного топлива-«пороха» необходимы и альтернативные «безатмосферные» схемы двигателей. Впрочем, исключив циклы проветривания в схеме 4-тактного двигателя внутреннего сгорания, можно заставить его работать как 2-тактный «гипердизель» с горячей форкамерой мини-реактора, или даже заново изобрести 1-тактный поршневой цилиндр так называемого «двойного действия» с мини-реакторами вспышек топливных доз по торцам цилиндра.

Если начальные параметры (Р1, Т1) «водопороховых» вспышек задать по уровню (так называемых «индикаторных» показателей) рабочей смеси «обычных» двигателей внутреннего сгорания, то один цилиндр «двойного действия» будет эквивалентен сразу восьми 4-тактным бензиновым цилиндрам. При большом адиабатном расширении из конденсированного «ничего» и паро-образовании 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 двигателей 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 «обводненности» окислительсодержащих топлив.

«Пороховой» двигатель внутреннего сгорания сможет работать как на суше, так и в страто-сфере, на Луне или под водой.



Реактивный винт

Еще более «альтернативен» движитель типа «реактивный винт», вращающийся реактивным выхлопом из сопел на концах лопастей. Если мини-реакторы «жидкого пороха» разместить там же или изготовить в виде тора на оси вращения винта, мы получим силовой агрегат, совмещающий функции «двигателя», «движителя» и «топливного насоса»; узлы трения – лишь два опорных подшипника вращающейся оси винта. Центробежно-радиальные силы «втягивают-качают» высокоплотный раствор из бака через каналы оси и лопастей в горячий реактор, откуда сжатые газы выбрасываются через периферийные сопла.

Стартовая «раскрутка» винта – от пиропатронов в специальной «камере зажигания». Топливом могут быть не только растворы «пороха», но и окислительсодержащие эмульсии, а также суспензии порошка угля в загущенном растворе АС или даже пены. В последнем случае в окислительсодержащий раствор с избытком горючих веществ (спирты, уротропин, каменный уголь) вводятся пенообразователи-ПАВ, и простейший «пено-карбюратор» взбивает низкократную пену с воздухом-окислителем. Осевой шнек-винт-насос гонит-сжимает пену с воздухом в осевой же реактор. Дожигание топлива в воздухе снизит прожорливость двигатель-винта до 1,5-2 раз и, соответственно, увеличит радиус перемещения транспортного средства без дозаправки. Заключив гремучий винт в кольцевой аэродинамический сегмент, можно повысить безопасность и полезную направленность импульса газовоздушных масс.

Толкающий реактивный винт может быть движителем для индивидуальных летательных аппаратов.



Немеханический аэроцикл

Тот же принцип «немеханического газохода», в принципе, возможен и для движения с «отталкиванием от воздуха» (как и в случае «реактивного винта»). Плотность атмосферы меньше плотности воды на три порядка – и во столько же надо увеличить проходное сечение двигателя-трубы. Для «альтернативных» летательных аппаратов (ЛА) разместить решетку сопловых форсунок можно, например, на планере-биплане между парами несущих плоскостей или… между фюзеляжем и кольцевым крылом сверхмалого летательного аппарата (СЛА).

Описываемая легким кольцевым крылом площадь должна быть не менее 20-30 квадратных метров, и в вертикальном положении СЛА на «холостом ходу» должен скользить на шасси «воздушной подушки», а на форсаже – взлетать вертикально. После набора высоты аэроцикл ложится на горизонтальный курс с экономичным «самолетным» расходом рабочего тела и опорой на кольцевое крыло-цилиндр.

По оценкам, при взлетной массе гипербайка до 300 килограммов скорость газовоздушного выхлопа должна составлять до 30-40 м/сек. Скорость рабочих «сопловых» газов необходима на порядок выше, а пространственный импульс «решетки выхлопа» (с ограничением по длине зоны «двухконтурного» смешивания) – специально ориентирован. КПД «газолета» определится падением давления и температуры в соплах-форсунках, «газоструйностью» смешивания с воздухом и внутренней геометрией прямоточной трубы.

Суммарный «теплый ветер» выхлопа – будет на один-два порядка слабее чего-то газотурбинного или ракетного... Но если сравнить стоимость «немеханического» аэроцикла с существующими ЛА в режиме «вертикальный взлет-посадка», пусть даже с посадочным парашютом в носу СЛА…

Оказывается, на унитарном топливе возможны самые разнообразные схемы принципиально простых газорасширительных машин, в том числе с совмещением «двигателя» и «движителя», дожигом топлив в «бесплатном» воздухе, и даже – «немеханические» циклы без движущихся частей, и даже в режиме регулируемого «непрерывного взрыва».



Жидкофазные реакторы

Жидкофазные мини-реакторы легко регулировать, но к ним нужен топливный насос высокого давления с приводом для подачи раствора из внешнего бака. Чтобы сэкономить на массе «балластного» растворителя (воды), топливная магистраль обогревается противотоком («труба-в-трубе») теплом отработавших газов с регулируемой конденсацией водяного пара обратно в бак для растворения-разогрева рабочих порций энергоносителя.

Тогда в бак можно загружать даже кристаллизованные плавы топлива (шары, цилиндры, эллипсоиды) с минимальным содержанием «балластного» растворителя, который станет «самовозвратным» в цикле растворение – сгорание – растворение. (Критический диаметр детонации высокоплотных горячих плавов АС составляет не менее 40-50 миллиметров, что много выше необходимого сечения «горячего» топливопровода из холодного бака.)

До 5-8 процентов энергии добавится в цикл «бесплатно» – с утилизацией конденсационного тепла отработавших паров воды. Наконец, тепловой эндоэффект растворения АС в воде, к счастью, протекает с заметным аккумулированием тепла из окружающей среды (до 78 ккал/кг), что практически компенсирует затраты на парообразование растворителя в реакторе при «самосжигании» горячельющихся плавов, содержащих 5-10 процентов воды.

Известны также перспективные способы «ожижения» АС на неводных горючих-растворителях, где вода отсутствует вообще.



Твердотопливные газовые «батарейки»

В противоположность «стационарным» жидкофазным схемам, в «одноразовых» твердотопливных элементах под давлением медленно горят цилиндрические заряды кристаллизованных плавов в режиме «пиротехнического газогенератора» или «самораспространяющегося молекулярного газораспада». За простоту конструкции «твердотопливных батареек» придется платить жаропрочностью всего корпуса и трудностями регулирования и пуска реакций. После выгорания заряда «батарейки» в ее прочный корпус помещается болванка нового заряда, и цикл повторяется.

Из «батареек» можно собирать сколь угодно большие «батареи» с ресиверами и аккумуляторами давления «холостого хода» и прочие конструкторские решения.

Экспериментально найдены эффективные катализаторы и стабилизаторы реакций «водонитратных пиротехнических свечей». Скорость сгорания зарядов под давлением в 1 атмосферу для большинства кристаллизованных горячельющихся плавов – в пределах 0,1-1,5 мм/сек. В отсутствии катализаторов и специальных пространственных стабилизаторов горения «голые» шашки зарядов на воздухе «пожаробезопасны», так как температура их воспламенения много выше температуры плавления смеси и все подводимое тепло при 1 атмосфере расходуется на плавление и парообразование «вхолостую».

Сменные твердотопливные элементы перспективны взамен тяжелых компрессоров – как мобильные генераторы высокоработоспособных газов для привода пневмоинструментов, пневмодвигателей или пневмо-жидкостных насосов. Жидкофазные и твердотопливные реакторы перспективны для применения в технологиях «огневого» бурения, в подземном строительстве, в импульсных и оборонных технологиях.



Концепция унитарных топлив

В основе природного равновесия и функционирования биосферы Земли лежат три природных цикла: круговорот углерода, круговорот азота, круговорот воды. До сих пор хозяйственная деятельность человека основана на добыче и сжигании накопленных в земной коре углеродсодержащих полезных ископаемых органического происхождения: каменного угля, нефти, горючих газов, а также древесины. При их сжигании расходуется кислород атмосферы, необратимо истощаются запасы ценнейшего углеводородного и природного сырья.

К началу XXI века уже нарушено природное равновесие геоклиматической машины планеты и все человечество поставлено на грань глобальной экологической катастрофы.

В то же время существует возможность резкого снижения экологической нагрузки на биосферу с использованием безуглеродных азотсодержащих возобновляемых источников энергии, а также промышленных, «альтернативных» и естественных технологий ее преобразования и аккумулирования, «вписанных» в естественные циклы планетарного кругооборота азота и воды.

А. ТРУНИН, А. МАКАРОВ, В. ЛЕСОВ
Энергетика и промышленность России № 06 (122) март 2009 года

Источник:http://www.eprussia.ru/tech/articles/232.htm





Счетчик посещений Counter.CO.KZ - бесплатный счетчик на любой вкус!
2009-04-05
2017-12-23



ТИЦ(Yandex), PR(Google),число ссылок BL(Yahoo)
Газета "Саратовский Деловой Вестник": выставки, экономика, инновации
16+ Copyright © 2006