Эксэрготрансформаторная камера сгорания.

Эксэрготрансформаторная камера сгорания.
В эксэрготрансформаторной камере сгорания происходит процесс
преобразования значительной части потенциальной энергии топлива, в
кинетическую энергию, которая теоретически может быть преобразована в
работу (эксэргию). Выходное давление торможение может превосходить
давление на входе в камеру.
1
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. Эти способы преобразования тепловой
энергии в механическую энергию, естественным образом устарели,
поэтому нуждаются в замене.
В термическом цикле газотурбинных установках значительная часть
полезной работы затрачивается на работу компрессора, нагнетающий
избыточный сжатый воздух в камеру сгорания.
Цель разработки, создания способа, в котором минимизируются затраты
на сжатия воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
Рассмотрим проект эксэрготрансформаторной камеры сгорания
топлива.
Предлагаемая эксэрготрансформаторная камера сгорания имеет запальное
устройство, в которое подается насосом одна единица топлива и нагнетается
компрессором одна или несколько весовых частей воздуха, обеспечивающих
устойчивое горение и испарение паров топлива. Пары топлива и продукты
его сгорания выходят из запального устройства с высоким давлением и
поступают в эксэрготрансформатор, где выполняют работу по всасыванию и
сжатию наружного воздуха.
В канале эксэрготрансформатора при сверхзвуковом движении воздуха и
паров топлива происходит сгорания их с выделением большого количества
тепла. Геометрия канала камеры сгорания определяет политропность
процесса горения топлива. Примем, что горение происходит при постоянном
объеме V = Const, что приводит к повышению внутреннего давления
двигающего со сверхзвуковой скоростью потока. Продукты сгорания топлива
из канала поступают в диффузор, где их скоростной напор преобразуется в
давление.
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.
2
В камере сгорания более половины тепла преобразуется в кинетическую
энергию продуктов сгорания, обладающих высокой температурой. Для
доработки остаточного тепла выходящего с диффузора камеры
сгорания необходимы другие устройства, которые будут рассмотрены в
других проектах.
Краткий результат от эксэрготрансформаторной камеры сгорания на
1кг топлива.
В запальное устройство подается 1кг. топлива с теплотой сгорания
Qсг.=42000КДж/кг и 3кг. сжатого воздуха с температурой 498°К и
Р.=0.68МПа.
С диффузора эксэрготрансформатора выходят продукты сгорания топлива
массой 25.66 кг. Параметры давлением Р = 0.9Мпа, температурой
торможения Т= 1948°К и температурой выхода Т =1037°К.
Затраты на работу компрессора: Эк = (498 -288) × 1× 3 = 630КДж.
Эксэргия (работа) на выходе из камеры сгорания:
Эв = (1948 – 1037) × 1× 25,66 = 23375 КДж.
Коэффициент преобразования эксэргии: k = 23375 : 630 = 31,1.
Более подробное описание процесса приведено в расчете термического цикла
камеры сгорания.
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 = 475.4
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 ∞.
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