http://askcap.ru

1. Эксэрготрансформаторный универсальный двигатель.
Дальнейшие разработки эксэрготрансформаторных технологий позволяют
создать тепловой двигатель, КПД термического цикла которого будет
превосходить максимально возможные параметры горения топлива.
В тепловом двигателе использован способ, минимизирующий затраты
энергии на сжатие холодного воздуха.
Способ работы эксэрготрансформаторного двигателя не нарушает закон
сохранение энергии и второго закона термодинамики. Способ поддается
теоретическому расчету общеизвестными методами термодинамики, поэтому
никто не может назвать научно техническую причину, по которой он не
может быть реализован.
1

2. Существующие способы преобразования тепловой энергии в
механическую работу, открытые в 19 веке, достигли совершенства, и
дальнейшее усовершенствование их становится экономически не
оправдано. Существующие способы преобразования тепловой энергии в
механическую работу, естественным образом устарели и нуждаются в
замене.
Предлагаю проект универсального эксэрготрансформаторного
двигателя в специальном канале, которого происходит
преобразование в работу (эксэргию) сверхвысоких параметров рабочего
газа. Выполнение этих условий возможно только при безударном
способе сложения потоков газа – эксэрготрансформаторе.
Цель разработки – создание принципиально нового универсального
теплового двигателя 21века, отличающегося от общеизвестных
двигателей тем, что в его термическом цикле взаимодействуют два
рабочих тела, а устройство, преобразующее кинетическую энергию в
механическую работу (турбина), вынесено за пределы цикла.
Универсальный двигатель состоит из двух ступеней:
эксэрготрансформаторной камеры сгорания топлива, являющейся его
первой ступенью и вторая ступень - это эксэрготрансформатор.
Во второй ступени высокотемпературный газ дорабатывается до
параметров, соответствующих характеристикам применяемых турбин.
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 не представляет сложности.
В запальное устройство подается 1кг. топлива с теплотой сгорания
Q.=42000КДж/кг. и 3кг. сжатого воздуха с параметрами:
Т. = 717°К. и Р.=2,43МПа.
С диффузора эксэрготрансформатора выходят продукты сгорания топлива
массой 81кг.
Параметры торможения: Р. = 1.43Мпа, Т.= 814°К.
Работа А.= (814 -380.7) × 1.015×81 = 35624КДж.
Затраты на работу компрессора: Ак. = (717 -288) ×1.015×3 =1306КДж.
КПД термического цикла = (35624 – 1306) : 42000 = 0.817 ×100 = 81.7%.
Реактивный импульс тяги двигателя:
Р. = W×m = 938 × 81 = 75967H./ на один кг топлива.
2

3. 3

4. Расчет эксэрготрансформаторной камеры сгорания топлива.
Примем начальные условия.
Расчет производится при стабилизации потоков газов и образовании
«потенциальной ямы» с давлением Р. = 52828Па в входном патрубке.
Теплота сгорания 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, температура Т. = 717°К.
При сгорании 1кг. воздуха в парах топлива в запальном устройстве
выделяется тепло: G. = 3000 ×3=9000 КДж: ∆Т = 8867
Температура смеси в запальном устройстве:
Т. = (288×1 +717×3 +8867)/4 = 2827°К.
Максимальную температуру горения топлива примем: Т. = 2500°К.
Оставшаяся часть энергии затрачивается на ионизацию молекул топлива.
G. = (2827 – 2500) × 1,015 ×4 = 1287 КДж.
Энергия ионизации топлива дополнительно обеспечивает устойчивость
горение топлива при 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) = 1,015×(288 – 240) = 48 × 1,015 = 48,7КДж/кг.
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.
4

5. Теоретический расчет сложение потоков газа начнем с нахождения точки 7
на изобаре Р.=100000Па, где в процессе изменения состояния газов, сумма
энтропии будет равно нулю.
Параметры точки 7: Т.= 380,3°К. V.=1.103м3/кг.
Процесс энергообмена состоит в следующем:
Холодный воздух, реализуя разряжение «потенциальной ямы процесс 4– 5,
входит в канал камеры сгорания с параметрами: Т. = 240°К. V. = 1.317 м³/кг.
Рабочий газ, изотермически сжимаясь, отдает тепло холодному воздуху и
выходит из потенциальной ямы. Холодный воздух, получив тепло сжатия,
процесс 5-4 достигает температуры Т.=288°К. на изохоре V. = 1.317 м³/кг.
Найдем на изохоре V. = 1.317 м³/кг. точку 6, в которой изменение энтропии
так же 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.
При изотермическом сжатии расходуется кинетическую энергию 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 10.
Т. = 606 + 173 = 779°К, Р. = 1235300Па.
Произошло сложение двух потоков.
Проверим энергетический баланс:
Т. = (288 ×3.5 + 2500) : 4.5 = 779.55°К.
Начинаем расчет процесса горения паров топлива в избытке кислорода.
5

6. 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.
Расчетные параметры движущего потока находятся в точке 8:
Т. = 606°К. Р. = 512200Па, V. = 0.3431м3/кг.
Параметры заканчивается горение топлива точка 11.
Тv. = 606 +1876 = 2482°К, V. = 0.3431м³/кг, Р. = 2.1МПа.
Примем, что процесс сверхзвукового горения топлива будет изохорный
V. = Const. Продукты сгорания, пройдя канал камеры сгорания, поступает в
специальное сверхзвуковое сопло, где скоростной напор суммируется с
давлением в движущемся потоке.
∆Т = 779 – 606 = 173. Тп. = 2482 + 173 =2655°К.
С диффузора эксэрготрансформатора выходят продукты сгорания топлива
массой 18 кг. Параметры торможения:
Р. = 2.66Мпа, Т.= 2655°К. Работа А.= (2655 -1040) × 1.015 = 1639КДж/кг.
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.
6

7. 7

8. Расчет второй ступени эксэрготрансформаторного
универсального двигателя.
С первой ступени двигателя во вторую ступень поступают продукты
сгорания топлива, массой 18 кг/сек.
Температура торможения потока: Тт. = 2655°К.
Параметры расширения потока: Т=1040°К, Р.=100000Па, V. = 3.2м³/кг.
Иллюстрация расчета происходящих процессов изменения состояния газа,
показаны в T-S диаграмме.
Работа адиабатного процесса 1-2 создает в эксэрготрансформаторе
критическое разряжение процесс 2-3, параметры которого:
Р. = 52828Па. Т = 867°К.
Рассчитаем коэффициент всасывания.
Работа рабочего газа на создания «потенциальной ямы».
Ар. = Ср.×(Т2- Т3) = 1.015×(1040 – 867) = 184 ×1.015 = 176 КДж.
Работа всасывания процесс 4-5 одного килограмма воздуха.
А = Ср×(Т4 – Т5) = 1.015×(288 – 240) = 48 ×1.015 = 48.7 КДж.
Масса всасываемого воздуха на один кг. рабочего газа:
k = Ар /Ав = 176 : 48.7 = 3.5
Масса всего всасываемого атмосферного воздуха.
Мв. = 18 ×3.5 = 63кг.
Общая масса газа на один кг топлива, проходящая через двигатель.
Моб. = 18 + 63 = 81кг.
Наружный воздух, реализуя разряжение «потенциальной ямы»,
со звуковой скоростью поступает в канал эксэрготрансформатора, где
происходит его встреча с горячим рабочим газом.
Процесс энергообмена состоит в следующем: Рабочий газ в процессе
изотермического сжатия процесс 3 - 3, отдает тепло холодному воздуху и
выходит из потенциальной ямы.
Вариант 1. Холодный воздух, получив тепло в процессе 4-4, достигает
изохоры V = 1,317м³/кг.
Вариант 2. Воздух достигает точки 4 в изохорном процессе 5÷4.
Потоки выравниваются за счет передачи тепловой энергии от рабочего газа к
воздуху. Находим точку 7на изобаре Р.=100000Па, в которой изменение
энтропии двух потоков будет равно нулю: Т. = 380.7°К.
Далее найдем ту же точку 6 на изохоре V = 1,317м³/кг. Т6 = 354.7°К.
Определим количество тепла, поглощенное в процессе 4÷6:
Q = 354.7 – 288 = 66.7 ×3.5 = 233× 1,015 = 237КДж/кг.
Найдем точку 8, которая определяет количество теплоты, переданное
рабочим газом в изобарном процессе 3÷8:
Т8. = 867 - 233 = 634°К.
8

9. Далее рабочий газ при движении в канале эксэрготрансформатора
изотермически сжимается при торможении, передавая тепло сжатия
холодному воздуху, процесс 8÷8. Поток холодного воздуха, поглощая тепло
при V = Const, увеличивает давление. В потоке повышается давление
рабочего газа и воздуха.
При сжатии рабочего газа расходуется его кинетическая энергия. Определим
работу, затраченную на сжатие газа:
∆Т. = (634 – 354.7) ×3.5 = 977. А = 977×1.015 = 992КДж/кг.
Определим точку 9 на диаграмме показывающую энергию, затраченную на
изотермическое сжатие рабочего газа:
Т = 867 + 977 = 1844°К.
Оставшаяся кинетическая энергия распределяется на полную массу газа.
А = 2655 – 1844 = 811 × 1.015 = 823КДж/кг.
Параметры в точке10:
∆Т. = 811 : 4.5 = 180. Т = 634 + 180 = 814°К. Р. = 1.43МПа.
Проверим баланс: Т9. = (288 × 3.5 + 2655) : 4.5 = 814°К.
Баланс сошелся.
Второй закон термодинамики соблюдается.
∆S. = ln288/380.7 ×1015 ×3.5 + ln1040/380.7 × 1015 ×1 = 0.
Определим теоретическую работу термического цикла:
Ап. = (814 – 380.7) ×81×1.015 = 35624КДж.
Затраченная работа на компрессор:
Ак. = (717 – 288) ×3×1.015 =1306КДж.
КПД термического цикла = (35624-1306) : 42000 = 0.817 = 81.7%.
Расчет произвел: Криловецкий Владимир Михайлович.
kriloveckijj@rambler.ru
9

10. Далее рабочий газ при движении в канале эксэрготрансформатора
изотермически сжимается при торможении, передавая тепло сжатия
холодному воздуху, процесс 8÷8. Поток холодного воздуха, поглощая тепло
при V = Const, увеличивает давление. В потоке повышается давление
рабочего газа и воздуха.
При сжатии рабочего газа расходуется его кинетическая энергия. Определим
работу, затраченную на сжатие газа:
∆Т. = (634 – 354.7) ×3.5 = 977. А = 977×1.015 = 992КДж/кг.
Определим точку 9 на диаграмме показывающую энергию, затраченную на
изотермическое сжатие рабочего газа:
Т = 867 + 977 = 1844°К.
Оставшаяся кинетическая энергия распределяется на полную массу газа.
А = 2655 – 1844 = 811 × 1.015 = 823КДж/кг.
Параметры в точке10:
∆Т. = 811 : 4.5 = 180. Т = 634 + 180 = 814°К. Р. = 1.43МПа.
Проверим баланс: Т9. = (288 × 3.5 + 2655) : 4.5 = 814°К.
Баланс сошелся.
Второй закон термодинамики соблюдается.
∆S. = ln288/380.7 ×1015 ×3.5 + ln1040/380.7 × 1015 ×1 = 0.
Определим теоретическую работу термического цикла:
Ап. = (814 – 380.7) ×81×1.015 = 35624КДж.
Затраченная работа на компрессор:
Ак. = (717 – 288) ×3×1.015 =1306КДж.
КПД термического цикла = (35624-1306) : 42000 = 0.817 = 81.7%.
Расчет произвел: Криловецкий Владимир Михайлович.
kriloveckijj@rambler.ru
9