Эксэрготрансформаторный универсальный двигатель.

21- , Эксэрготрансформаторные двигатели в м веке заменят , существующие низкоэффективные тепловые двигатели как

, . на земле так и в воздушном пространстве Преимущество , эксэрготрансформаторных двигателей в том что они могут

, развивать любыемощности и скорости как на земле так и на 40 . 1.5 ÷2 высотах от нуля и до км КПДих в раза выше

.существующих типов двигателей

1

Существующие способы преобразования тепловой энергии в

, 19 , механическую работу открытые в 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

2

, скоростью поступает в диффузор где его скоростной напор .преобразуется в давление

:Результат преобразования таков - Масса газовоздушной смеси на один килограмм топлива

=118 , . =0.834 , М кг давление Р Мпа температура торможения.=649° . Т К

81,3%.КПД универсального двигателя .Расчеты прилагаются

3

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.

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 = 475.4Расчет 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) =118.1Параметры 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 ∞.

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.

7

8

Расчет второй ступени эксэрготрансформаторного .универсального двигателя

.Начальные условия

С первой ступени двигателя поступают продукты горения : топлива со следующими параметрами

25.66 / , . =1948° , =0.9085 .массой кг сек температурой Т К Р МПа 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 1-2 Работа адиабатного процесса создает в камере критическое

2-3. разряжение процесс 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. = ×( 2- 3) = 1×(1037 – 864) =173 . Ар Ср Т Т КДж

4-5 .Работа всасывания процесс одного килограмма воздуха. = ×( 4 – 5) = 1×(288 – 240) = 48 .Авсас Ср Т Т КДж . .Масса всасываемого воздуха на один кг рабочего газа

/ = 173 : 48= 3,6Ар Ав .Масса всего всасываемого атмосферного воздуха

. = 25,66 ×3,6 = 92,4 . Мв кг , Общая масса газа на один кг топлива проходящая через

.двигатель. = 25,66 + 92,6 = 118 .Моб кг

, « »,Наружный воздух реализуя разряжение потенциальной ямы со звуковой скоростью поступает в канал

, эксэрготрансформатора где происходит его встреча с горячим . рабочим газом

9

: Процесс энергообмена состоит в следующем Рабочий газ в

– 3 - 3, процессе изотермического сжатия процесс отдает тепло . холодному воздуху и выходит из потенциальной ямы Холодный

, 5-4, воздух получив тепло в процессе возвращается в исходное, . . , состояние т е его давление удельный объём соответствуют

.4. первоначальному состоянию т , 2-Далее рабочий газ отдавая тепло в процесс

2 , 4-2 изотермического сжатия а холодный воздух в процессе .изохорного сжатия получает тепло

: 4-8 Равенство Сумма тепловой энергии изохорных процессов должна быть равна сумме тепловой энергии изобарному

2-8, .процессу отсутствие равенства компенсируется эксэргией 4-8: . = 1× (545 – 288)×3,6 = 925Процесс Эизох 8-10: . =545 + 925 = 1470° . Процесс Эизоб К

, 8-2: 1037 – 545 = 492. Расчет тепла изобарный процесс 7 4-8. 492/3.6 = 137. 288 + 137 = 425Найдем точку на изохоре

. = 545° , Для достижения изотермы Т К необходимо использовать , 10-2.кинетическую энергию газа процесс

(1470 – 1037) : 3.6 = 120, 425 + 120 = 545. 1948 – 1470 Оставшаяся кинетическая энергия рабочего газа

=478 КДжраспределяется по общей массе . 8 – 9. ( 1948 – 1470) : (3.6 взаимодействующего вещества Процесс

+ 1) =104 .КДж 9. Параметры точки т

9. = 545 +104 = 649° , . = 0,934 .Т К Р МПа 7-6 Адиабатное расширение газа процесс определит

6 параметры точки=354° . Т К

: = (649 – 354) Полезная работа двигателя Ап × 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%.

10