http://askcap.ru

1. 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. Эксэрготрансформаторная камера сгорания
может работать как отдельно, так и в составе с другими издельями, создавая
более сложные энергоэффективные устройства.
1

2. В термическом цикле газотурбинных установках значительная часть
полезной работы затрачивается на работу механического компрессора,
который нагнетает избыточное количество воздуха в камеру сгорания.
Цель разработки, создание способа минимизации затрат энергии на
сжатие воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
Предлагаю данный способ, который реализован в проекте
эксэрготрансформаторной камеры сгорания топлива.
Эксэрготрансформаторная камера сгорания имеет запальное устройство, в
которое насосом подается одна единица жидкого топлива и нагнетается
компрессором 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 горение их с выделением большого количества
тепла. Геометрия канала эксэрготрансформатора 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 газа. Для ограничения
внутреннего давления в канале камеры сгорания, часть процесса горения
топлива перенесена в сверхзвуковое сопло, специального профиля, где
увеличивающее давление при горении топлива, будет преобразовано в
кинетическую энергию. 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.
Эксэрготрансформаторная камера сгорания отличается от суперэжектора
(эксэрготрансформатора) тем, что она дополнена запальным устройством, в
котором сгорает часть топливо при недостатке кислорода.
Образец эксэрготрансформатора изготовлен и испытан, поэтому дополнить
его запальным устройством, технически выполнимо.
2

3. Выходящий из камеры сгорания газ, имеет высокую температуру. Для
доработки остаточного тепла, выходящего из камеры сгорания,
необходимы другие устройства, которые будут рассмотрены в других
проектах.
В запальное устройство подается 1кг. топлива с теплотой сгорания
Qсг.=42000КДж/кг. и 3кг. сжатого воздуха с температурой 717°К. и
Р.=2,43МПа.
С диффузора эксэрготрансформатора выходят продукты сгорания топлива
массой 18 кг. Параметры давлением торможения:
Р. = 2.66Мпа, Т.= 2655°К. Работа А.= (2655 -1040) × 1.015 = 1639КДж/кг.
Полная работа на 1кг топлива Ап. = 1639 × 18 = 29500КДж.
Затраты на работу компрессора: Ак. = (717 -288) × 1× 3 = 1287КДж.
Более подробное описание процесса приведено в расчете термического цикла
камеры сгорания.
3

4. 4

5. 5

6. Расчет эксэрготрансформаторной камеры сгорания топлива.
Примем начальные условия.
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. = 1,015КДж/кг. град.
Камера сгорания имеет запальное устройство, в которое подается 1кг.
топлива с наружной температурой 288.°К. и 3кг. воздуха с параметрами:
давление Р. = 2.43МПа и температура Т. = 717°К.
При сгорании 1кг. воздуха в парах топлива в запальном устройстве
выделяется тепло: G. = 3000 ×3=9000 КДж:
Температура смеси в запальном устройстве:
Т. = (288×1 +717×3 +9000): 1,015/4 = 2817°К.
Примем температуру горения 2500°К, а оставшаяся часть энергии потрачена
на ионизацию молекул топлива.
G. = (2817 – 2500) × 1,015 ×4 = 1287 КДж.
Энергия ионизации топлива дополнительно обеспечивает устойчивость
горение топлива в сверхзвуковом течении воздуха.
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:
А. = (2500 – 1005) × 1,015= 1517КДж/кг.
Создает в камере критическое разряжение процесс 2-3.
Ар. = (1005 – 838) × 1,015 = 172,5КДж. Р. = 52828Па.
Назовем это разряжение «потенциальной ямой».
Работа всасывания процесс 4-5 одного килограмма воздуха.
А. = Ср.×(Т4 – Т5) = 1×(288 – 240) = 48 × 1,015 = 48,7
Определим коэффициент всасывания:
k. = (1005 – 838) : 48 = 3.5
1 кг. рабочего газа выполняет работу по всасыванию и сжатию 3.5кг.
наружного воздуха. Масса всасываемого воздуха: Мв. = 4×3.5 =14кг.
Полная масса газовоздушного потока: Мп. = 14 +4 = 18кг.
Наружный воздух, реализуя разряжение «потенциальной ямы», со звуковой
скоростью поступает в неё - процесс 4-5, где происходит его встреча с
рабочим газом.
6

7. Теоретический расчет сложение потоков газа начнем с нахождения на
изобаре Р.=100000Па точки, где в процессе изменения состояния газов,
сумма энтропии будет равно нулю.
Параметры этой точки 7: Т.= 380,3°К. V.=1.103м3/кг.
Процесс энергообмена состоит в следующем:
Рабочий газ, выходя из «потенциальной ямы в процессе 3– 3, изотермически
сжимаясь, отдает тепло холодному воздуху и выходит из потенциальной
ямы. Холодный воздух, получив тепло, изотермически расширяется в
процессе 4-4 до изохоры V. = 1.317 м³/кг.
Найдем на изохоре V. = 1.317 м³/кг. точку 6, в которой изменение энтропии
будут равны нулю Т6. = 354.2
Определим количество теплоты поглощенное изохорой в процессе 4-6:
∆Т. = (354.2 - 288) ×3.5 = 232
Найдем точку 8 на изобаре Р.=100000Па, определяющую количество тепла
переданного холодному воздуху: ∆Т. = 838-232 = 606 °К.
Рабочий газ, процесс 8-8, изотермически сжимается до давления
Р.= 512200Па.
Для сложения потоков необходимо затратить кинетическую энергию на
изотермическое сжатие рабочего газа.
А. = (606- 354) ×3,5×1,015 = 895КДж.
∆Т. = 895 : 1.015 = 882
Найдем точку 9 на адиабате 1-3:
Т9. = 882 + 838 = 1720°К.
Определим остатки кинетической энергии:
∆Т. = 2500 - 1720 = 780.
Оставшаяся кинетическая энергия рабочего газа распределяется по общей
массе взаимодействующего вещества. Процесс 8 – 10.
∆Т. = 780 : 4,5 = 173,3.
Параметры точки т 10.
Т10. = 606 + 173 = 779°К, Р. = 1235300Па.
Произошло сложение двух потоков. Начинается процесс горения паров
топлива в избытке кислорода.
Энергетический баланс: Т. = (288 ×3.5 + 2500) : 4.5 = 779.55°К.
7

8. Горение.
Найдем повышение температуры газа при сгорании оставшихся паров
топлива:
G. = 42000 – (9000 – 1287) = 34267КДж.
Общая масса газа на 1кг. топлива: М = 18.
Повышение температуры будет равно:
∆Т. = 34267: 18 :1.015 = 1876.
Температурой движущего потока является т.8, параметры которой:
температура Т. = 606°К. Р. = 512200Па, V. = 0.3431м3/кг.
Параметры горения топлива точка 11.
Тv. = 606 +1876 = 2482°К.V. = 0.3431 Р. = 2.1МПа.
Примем, что процесс сверхзвукового горения топлива будет изохорный
V. = Const. Далее газ, пройдя канал камеры сгорания, поступает в
специальное сверхзвуковое сопло, где скоростной напор суммируется с
давлением в движущемся потоке.
С диффузора эксэрготрансформатора выходят продукты сгорания топлива
массой 18 кг. Параметры давлением торможения:
Р. = 2.66Мпа, Т.= 2655°К. Работа А.= (2655 -1040) × 1.015 = 1639КДж/кг.
Полная работа на 1кг топлива Ап. = 1639 × 18 = 29500КДж.
Параметры расширение продуктов сгорания, выходящих из камеры сгорания:
Р. = 100000Па, Т. = 1040°К. V. = 3.02м³/кг.
Затраты на работу компрессора: Ак. = (717 -288) × 1× 3 = 1287КДж.
Коэффициент преобразования кинетической энергии:
К. = 29500/ 1287 = 23
8