Эксэрготрансформаторная камера сгорания топлива

1. Эксэрготрансформаторная камера сгорания топлива.
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.

2. Существующие способы преобразования тепловой энергии в механическую
работу, открытые в 19 веке, достигли совершенства, и дальнейшее их
усовершенствование становится экономически не обосновано. Современной
энергетики нужны новые технологии третьего тысячелетия. С открытием
способа безударного сложения потоков газа и изготовлением устройства, в
котором он реализуется, открывается необозримые возможности для
энергетики. Предлагаю на рассмотрение принципиально новую
эксэрготрансформаторную камеру сгорания, в которой одновременно с
горением топлива, происходит лавинообразное преобразование его тепла в
эксэргию за счет разности температур холодного воздуха и продуктов
горения топлива.
Основой данного проекта являются несколько общеизвестных фактов
термодинамики.
Общеизвестно, что теоретическая тепловая машина способна выполнять
полезную работу только при наличии разницы температур рабочего тела и
окружающей среды.
Общеизвестно, что при получении «холода» в холодильнике, необходимо
затратить полезную работу для разделения воздуха на холодную и горячую
части и чем больше разница температур, тем больше затрачиваемая работа.
Процесс теоретически обратим.
Обратный процесс « холодильника» - это возвращение полезной работы и
параметров газа в исходное положение, при этом выполняются законы
сохранения и второй закон термодинамики. Выполнение этих условий
возможно только в безударном способе сложения потоков газа.
Открыт способ безударного сложения потоков газов и изготовлено
устройство, в котором он реализуется. Данное устройство названо нами
эксэрготрансформатором. Концепция эксэрготрансформаторной камеры
сгорания. Цель разработки – создание устройства, в котором одновременно
со сгоранием топлива в нем происходит преобразования образующего тепла
в полезную работу (эксэргию). Эксэрготрансформаторная камера сгорания
может работать как отдельно, так и в составе с другими издельями, создавая
более сложные энергоэффективные устройства.

3. 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 с высоким давлением поступают в эксэрготрансформатор, где
выполняют работу по всасыванию и сжатию наружного воздуха. В объеме
эксэрготрансформатора происходит догорание паров топлива в избыточном
воздухе. Продукты сгорания топлива со сверхзвуковой скоростью поступают
в диффузор, где их скоростной напор преобразуется в давление.
Результат преобразования в эксэрготрансформаторной камере сгорания.
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. с давлением 0.7938Мпа и температурой 1078°К.
Энергетический баланс: Эк. + Qсг. = Эп. + G;
Эк. – работа компрессора; Qсг.- теплота сгорания топлива;
Эп. – эксэргия, которая может быть преобразована в полезную работу.
G – Остаточная теплота горения топлива.
630КДж + 42000 = 22430 + 20200КДж.
Коэффициент преобразования эксэргии - Эп / Эк = 36.6. Одновременно с
горением топлива, происходит преобразования тепла в кинетическую
энергию, которая используется в более сложных устройствах, в процессах
дальнейшего преобразования.
Более подробное описание процесса приведено в расчете термического цикла
камеры сгорания.

4. Планируемый выход на рынок.
Эксэрготрансформаторная камера сгорания топлива обычно используется в
более сложных энергоэффективных устройствах.
Необходимо, не раскрывая Ноу-хау как можно дольше. Разработать и
освоить производство эксэрготрансформаторных камер для различных типов
энергоустановок. Смысл в том, что эффект от внедрения
эксэрготрансформаторных камер огромный, поэтому будут попытки
дальнейшего усовершенствование технологии, поэтому необходимо быть
всегда впереди.
После освоения производства эксэрготрансформаторных камер сгорания
топлива, раскрывается Ноу-хау и патентуется во всех развитых странах.

5. Финансовые вопросы.
Заключается договор с инвестором, по которому управление проектом
передается инвестору. Совместно участвуем в проектировании, изготовлении и
испытании рабочих вариантов образцы продукции. По результатам испытания,
образцы направляются в серийное производство.

6. Конкуренты проекта.
В настоящее время эксэрготрансформаторных камер сгорания топлива
нет, поэтому конкуренции быть не может.
Проект эксэрготрансформаторной камеры сгорание демонстрирует
различные свойства эксэрготрансформатора.
Конкурентам она может быть в предложенных ранее проектах:
Гиперзвуковой тепловой двигатель для дальних ударных безпилотников и
крылатых ракет. № 5184.
Энергетика сверхзвуковых скоростей или газовоздушный термический
цикл эксэрготрансформаторного двигателя. № 5239.
Универсальный авиационный двигатель.

7. Конкурентные преимущества.
В гиперзвуковом тепловом двигателе первоначальная работа выполняется
топливным парогенератором, где топливо под большим давлением
подаётся на охлаждение стенок камеры сгорания и испарившись в
процессе поступает с высокой температурой в эксэрготрансформатор для
выполнения работы по всасыванию и сжатию атмосферного воздуха.
Преимущество парогенератора в том, что нет турбокомпрессора.
Недостатки – тяжелый пуск, неустойчивое горение топлива, низкая
экономичность и недостаточная мощность. Дополнив его относительно не
большим турбокомпрессором, подающего 0,1 - 0.3 частей необходимого
количества воздуха в запальное устройство ликвидирует вышеуказанные
недостатки.

9. Расчет эксэрготрансформаторной камеры сгорания.
Начальные условия примем.
Теплота сгорания 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. = 1КД/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,
показаны 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. Назовем это разряжение «потенциальной ямой».
Аа. = Ср×(Т1- Т2) m = 1×(2695 – 1560) 4 = 1135×4 = 4540 КДж.
Ар. = Ср×(Т2- Т3) m = 1×(1560 – 1300) 4 =260 × 4 = 1040 КДж.
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.
На 1 кг. рабочего газа всасывается 5.417кг. наружного воздуха.
Наружный воздух, реализуя разряжение «потенциальной ямы»,
со звуковой скоростью поступает в неё, где происходит встреча с рабочим
газом, создавшим её.

10. Свойства газа таковы, что при звуковых скоростях в процессах
температурного сложения и разделения газа наблюдается максимальная
асимметрия между первым и вторым законом термодинамики.
Процес энергообмена состоит в следующем: Рабочий газ в процессе
изотермического сжатия процесс - 2, отдает тепло холодному воздуху и
выходит из потенциальной ямы. Холодный воздух, получив тепло в процессе
5-4, возвращается в исходное состояние, т.е. его давление, удельный объём
соответствуют первоначальному состоянию т.4.
Результат этих процессов:
Восстановилась симметрия между первым и вторым законами
термодинамики.
Возросла кинетическая энергия рабочего газа процесс 1- 0, за счет
преобразования тепла в эксэргию. (Обратный процесс (холодильника), когда
полезная работа была преобразована в «холод»).
Далее вступает в свои права первый закон термодинамики, устанавливающий
Равенство: Сумма изохорных процессов 4-8 должна быть равна изобарным
процессам 2-8, 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 точку 7 на изохоре 4-8. 288 + 187.4 = 475.4
Расчет параметров точки 7.
Р. = (Т×R): V, Р = (475.4×290): 0.8352 = 165070 Па.
Адиабатное расширение газа процесс 7-6 определит параметры точки 6
Т=412°К.
Для достижения изохоры Т. = 545°К, необходимо использовать
кинетическую энергию газа.
(1392 – 1015) : 5.417 = 69.6, 475.4 + 69.4 = 545.
Оставшаяся кинетическая энергия рабочего газа распределяется по общей
массе взаимодействующего вещества. Процесс 8 – 9.
( 2695 – 1937) : (5.417 + 1) =118.1
Параметры точки т 9.
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: канал
имеет цилиндрическое строение постоянного сечения, огражденного на
входе и выходе сверхзвуковой скоростью.
Геометрия канала камеры сгорания определяет показатель политропы,
которая может быть от V = Const до P= Const.

11. Примем, что в процессе V = Const, повышения давление газа в канале камеры
сгорания не должно превосходить напор рабочего газа точка 9.
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.7, параметры которой:
температура Т. = 475,4°К. и удельный объем V = 0.8352.
Температура сгорания топлива: Тv. = 475.4 +1285.6 = 1761°К.
Найдем температуру точки 10, пересечение изохоры и изобары Р.= 528640
Па. (P×V) :R = 1522.5°К. Горение при V = Const прекращается.
Далее газ, пройдя канал камеры сгорания, поступает в её диффузор, где
скоростной напор суммируется с давлением в движущемся потоке.
Энтальпия движущего потока равна: Ад = (663 – 475.4) ×1= 187.6КДж/кг.
Суммируем с энтальпией горения внутри потока: 1522.5 +187.6 = 1710.
Процесс 10 – 11.
Определим максимальное давление торможения в диффузоре.
(1710 : 1522.5) возводим в степени 3.5 = 1.50154 × 528640 =793800 Па.
Догорание топлива в диффузоре при P= Const. Р. = 793800Па. Процесс 11-12.
Тепло недогоревшего топлива: (1761 – 1522.5)×1 = 239, 1710 +239 = 1949°К.
Определим потенциальную энергию на выходе с диффузора
эксэрготрансформаторной камеры сгорания.
Ап. = (1949 – 1078)×25.668 = 22356КДж.
Определим коэффициент трансформации.
Затраты работы на процесс инициирования трансформации:
Сжатие 3-х кг. воздуха до Р.= 0.68МПа и температуры Т.= 498°К.
Ак. = (498 – 288)×1= 630КДж.
С диффузора эксэрготрансформатора выходят продукты сгорания топлива
массой 25.66 кг. и температурой 1078°К.
Энергетический баланс: Эк. + Qсг. = Эп + G;
Эк. – работа компрессора; Qсг.- теплота сгорания топлива;
Эп. – эксэргия КС, которая может быть преобразована в полезную работу.
G – Остаточная теплота горения топлива.
630КДж + 42000 = 22430 + 20200КДж.
Коэффициент преобразования эксэргии - Эп/Эк = 36.6.

12. Эксэрготрансформаторная камера сгорания будет применена в двигателях: