0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что считается рабочим циклом двигателя

реактивное движение

Максимальная скорость привычных водных транспортных средств ограничена. В их двигателях происходит непрямое преобразование химической энергии топлива в энергию движения воды: через преобразование в механическую энергию различного рода движителей (гребных винтов, турбин, насосов). Неизбежные при непрямом преобразовании потери приводят к ограничению на максимальную скорость — на уровне 100-130 км/ч (это связано с кавитацией, разрушающей лопасти винтов, импеллеров и др.). Но это ограничение преодолеть можно.

В Центре импульсно-детонационного горения (Центр ИДГ) при Институте химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ИХФ РАН) разработаны, созданы и испытаны экспериментальные образцы прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя, работающие на иных физических принципах и не имеющие мировых аналогов. В новом движителе происходит прямое преобразование химической энергии топлива в энергию движения воды. В результате надводному объекту сообщается гидрореактивная тяга, ускоряющая его до скоростей, недостижимых при использовании традиционных движителей. Отличительная особенность нового движителя — применение наиболее энергоэффективного и энергосберегающего рабочего цикла: цикла Зельдовича* с управляемым детонационным горением смеси моторного топлива с окислителем. Кроме того, в нем нет подвижных механических частей.

Экспериментальные образцы спроектированы специалистами ИХФ РАН на основе гидродинамических расчетов, позволивших оптимизировать параметры движителя. Конструкция и принцип работы движителя просты (рис. 1). Он представляет собой водовод (профилированную трубу с водозаборным устройством и соплом, погруженную в воду) с введенной в него импульсно-детонационной трубкой. Импульсно-детонационная трубка — сердце движителя — предназначена для генерации коротких, но очень интенсивных периодических импульсов давления в виде ударных волн, выходящих в водовод и выбрасывающих забортную воду из водовода через сопло. Каждый импульс давления в импульсно-детонационной трубке — это детонационная волна, образованная в результате зажигания топливной смеси и последующего быстрого, но управляемого перехода горения в детонацию — ускорения пламени от

2000 м/c. Каждая ударная волна, выходящая в водовод, вовлекает воду в движение к соплу и, следовательно, придает движителю импульс силы — реактивной тяги.

Рис. 1. Схема плоского прямоточного водометного движителя

Важнейший фактор, влияющий на передачу количества движения от ударной волны к воде, а значит, и на энергоэффективность,— это сжимаемость воды, которая сильно зависит от содержания в ней газов. Вода в таком движителе всегда насыщена пузырьками с газообразными продуктами детонации предыдущего цикла, а при высокой скорости — еще и кавитационными пузырьками. Сжимаемость пузырьковой среды велика, больше, чем сжимаемость чистого газа. Расчет показывает, что при газосодержании в 20-25% прибавка скорости воды за ударной волной в водоводе может достигать 30-40 м/c.

На рис. 2 показан пример расчета одного цикла (частота циклов 10 Гц) на установившемся режиме работы плоского прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя (ИДГРД) при набегающем со скоростью 5 м/с потоке воды. Сверху вниз на шести картинках показана эволюция распределения объемной доли. Верхняя и нижняя картинки очень похожи, значит, начальные условия для каждого рабочего цикла хорошо воспроизводятся. К такому же выводу приводит рис. 3, на котором показана расчетная зависимость мгновенной тяги движителя от времени в первых семи рабочих циклах. Повторяемость формы импульсов достигается уже после двух-трех начальных «выстрелов», а средняя тяга в них положительна, то есть направлена против набегающего потока воды. Если разделить значение средней тяги на секундный расход топливной смеси, придем к ключевому показателю энергоэффективности — удельному импульсу тяги. Расчеты показали, что такой прямоточный движитель может иметь удельный импульс на уровне 400 с при начальном давлении топливной смеси в импульсно-детонационной трубке, близком к атмосферному. Это выше, чем у самых современных ракетных двигателей (200-300 с на уровне моря) при очень высоком давлении в их камере сгорания.

Рис. 2. Рабочий цикл прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя при частоте 10 Гц. Красный цвет соответствует газу, синий — воде, а промежуточные цвета — воде с разным объемным газосодержанием. Расчет проведен для половины движителя

Рис. 3. Расчетная зависимость мгновенной тяги прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя от времени при рабочей частоте 10 Гц. Горизонтальная штриховая линия — средняя тяга после нескольких первых циклов

На рис. 4 показана схема экспериментального образца импульсно-детонационного гидрореактивного движителя (ЭО ИДГРД). Как и в расчетной схеме (см. рис. 1), ЭО состоит из импульсно-детонационной трубки и из прямоточного водовода с водозаборным устройством и соплом. Всего создано и испытано шесть ЭО ИДГРД разных конфигураций: пять в бесклапанном исполнении и один с механическим клапаном.

Рис. 4. Схема экспериментального образца прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя

Компоненты топлива — горючее (бензин) и окислитель (кислород) — подаются в импульсно-детонационную трубку раздельно. Чтобы исключить преждевременное воспламенение топливной смеси, непосредственно перед ее подачей в трубку кратковременно подается продувочный газ — азот.

Читать еще:  Что такое сепаратор на дизель двигатель

Система зажигания состоит из электронного модуля зажигания и двух автомобильных свечей. Система управления включает блок управления и исполнительные устройства — электромагнитные клапаны подачи кислорода и азота, форсунки и модуль зажигания. Программное обеспечение блока управления позволяет задавать интервалы подачи топливных компонентов, продувочного газа и импульса зажигания .

Для организации быстрого перехода горения в детонацию и образования детонационной волны в импульсно-детонационной трубке установлены турбулизаторы-завихрители. Трубка изгибается, так что донорная детонационная волна выходит в сопло водовода соосно (параллельно) потоку воды и, трансформируясь в ударную волну, передает воде запасенное количество движения.

Для проведения огневых испытаний ЭО ИДГРД изготовлен испытательный стенд. Схема испытательного стенда — бассейна с системой создания затопленной струи воды — представлена на рис. 5. Для измерения тяги используется тягоизмерительная рама с датчиком усилия (рис. 6). При обтекании ЭО струей воды без подачи топливных компонентов показания датчика усилия принимаются за ноль, а при работе ЭО датчик измеряет тягу.

Рис. 6. Экспериментальный образец прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя на тягоизмерительной раме

Фото: Сергей Фролов

Рис. 5. Схема испытательного стенда

Система создания затопленной струи включает мотопомпу, а также приемный и подающий водоводы. Вода засасывается в мотопомпу через приемный водовод и вводится обратно в бассейн в виде затопленной струи через подающий водовод. Выходной диаметр сопла подающего водовода практически совпадает с входным диаметром водозаборного устройства ЭО, так что через него проходит большая часть водяного потока, и лишь небольшая часть обтекает ЭО снаружи. Таким образом, испытания проводятся в условиях, когда внешним гидродинамическим сопротивлением можно пренебречь.

На рис. 7 показаны примеры записей датчика усилия при работе ЭО ИДГРД с частотой 1 и 20 Гц. Экспериментальные записи мгновенной тяги очень похожи на расчетные (см. рис. 3), причем средняя тяга в эксперименте также существенно положительна.

Рис. 7. Измерения мгновенной тяги при работе экспериментального образца прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя с частотой 1 Гц (сверху) и 20 Гц (снизу)

На рис. 8 показана итоговая экспериментальная зависимость основного показателя энергоэффективности движителя — удельного импульса тяги — от рабочей частоты для всех испытанных ЭО ИДГРД. Видно, что с увеличением рабочей частоты удельный импульс тяги в среднем снижается от

1000 с при частоте 1 Гц до

300 с при 20 Гц, причем при частоте 10 Гц эксперимент хорошо согласуется с расчетом (см. рис. 3). При этом средняя измеренная тяга возрастает с увеличением рабочей частоты от

10 Н при частоте 1 Гц до

40 Н при частоте 20 Гц. Как и в расчете, при экспериментальном определении тяги и удельного импульса первые рабочие циклы не учитывались. В отдельных сериях испытаний показано, что удельный импульс тяги возрастает с увеличением скорости набегающего потока. Это связано с улучшением наполнения водовода водой перед следующим рабочим циклом. Следует подчеркнуть, что во всех испытаниях начальное давление топливной смеси в импульсно-детонационной трубке было близким к атмосферному .

Рис. 8. Измеренные зависимости удельного импульса тяги экспериментального образца прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя от рабочей частоты (разные значки для разных образцов)

Отдельно отметим низкий уровень шума при работе ИДГРД и практически полное отсутствие вредных веществ в выхлопных газах. Низкий уровень шума связан с быстрым затуханием ударных волн в струе пузырьковой среды, а отсутствие вредных веществ — с использованием детонационного горения топлива, при котором высокотемпературные химические превращения происходят в режиме самовоспламенения с очень большой скоростью и высокой полнотой реакции.

Таким образом, впервые в мире спроектированы, изготовлены и испытаны ЭО движителя нового типа для скоростного водного транспорта — прямоточного ИДГРД с прямым преобразованием химической энергии топлива в движение воды.

Испытания проведены на специально разработанном стенде, позволяющем создавать набегающий поток воды со скоростью до 10 м/с. Для лучших образцов движителя экспериментально получены удельные импульсы тяги на уровне 1400 с при низкой рабочей частоте (1 Гц) и 400 с при высокой рабочей частоте (20 Гц). То есть удельный импульс оказался значительно выше, чем у современных жидкостных ракетных двигателей с высоким давлением в камере сгорания (до 200-300 атм.).

Создание практического ИДГРД должно стать одной из приоритетных задач для отечественного скоростного флота. Но новый движитель может использоваться и на тихоходных судах, особенно на мелководье и в арктических водах, где ледяная шуга вызывает эрозию гребных винтов. Он отличается энергоэффективностью, простотой конструкции, отсутствием видимых ограничений по быстроходности, чистотой выхлопных газов и низкой шумностью. Для него также характерны: простота регулирования тяги за счет изменения рабочей частоты, простота масштабирования тяги за счет укрупнения и/или изменения количества импульсно-детонационных трубок, простота регулирования вектора тяги без использования поворотных рулей, а также способность работать на любом топливе, причем при использовании воздуха в качестве окислителя.

Читать еще:  Чем заменить двигатель aar

Сергей Фролов, доктор физико-математических наук, Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, профессор НИЯУ-МИФИ

(По материалам проекта Минобрнауки «Разработка технологии создания гидрореактивной тяги в водометных двигателях высокоскоростных водных транспортных средств и создание стендового демонстрационного образца гидрореактивного импульсно-детонационного двигателя»).

*О демонстрационном образце ракетного двигателя с детонационным горением, использующем цикл Зельдовича, «Наука» рассказывала в февральском номере.

PDF-версия

  • 32
  • 33

Тепловой двигатель. Второй закон термодинамики.

Тепловой двигатель (машина)

Тепловой двигатель (машина) – это устройство, которое совершает механическую работу циклически за счет энергии, поступающей к нему в ходе теплопередачи.

Источником поступающего количества теплоты в реальных двигателях могут быть сгорающее органическое топливо, разогретый Солнцем котел, ядерный реактор, геотермальные воды и т.д.

В настоящее время наиболее распространены два типа двигателей: поршневой двигатель внутреннего сгорания (сухопутный и водный транспорт) и паровая или газовая турбина (энергетика).

Первые тепловые двигатели, широко распространившиеся в промышленности, назывались паровыми машинами. К современным тепловым двигателям можно отнести ракетные и авиационные двигатели.

Модель теплового двигателя и ее составные части

В теоретической модели теплового двигателя рассматриваются три тела: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.

В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.

Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Qнагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Qхол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:

В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.

КПД теплового двигателя (машины)

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.

В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q, то

Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:

Второй закон термодинамики

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики. Одна из них гласит, что невозможен тепловой двигатель, который совершал бы работу только за счет источника теплоты, т.е. без холодильника. Мировой океан мог бы служить для него, практически, неисчерпаемым источником внутренней энергии (Вильгельм Фридрих Оствальд, 1901).

Другие формулировки второго закона термодинамики эквивалентны данной.

Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.

Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.

Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.

Формулировка Больцмана (1877): замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия. Больцман ввел количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел – энтропию.

КПД теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела

Если задана модель рабочего тела в тепловом двигателе (например, идеальный газ), то можно рассчитать изменение термодинамических параметров рабочего тела в ходе расширения и сжатия. Это позволяет вычислить КПД теплового двигателя на основании законов термодинамики.

Читать еще:  Tfsi двигатель что это такое ауди

На рисунке показаны циклы, для которых можно рассчитать КПД, если рабочим телом является идеальный газ и заданы параметры в точках перехода одного термодинамического процесса в другой.

Изобарно-изохорный

Изохорно-адиабатный

Изобарно-адиабатный

Изобарно-изохорно-изотермический

Изобарно-изохорно-линейный

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя

Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя Tнагр и холодильника Tхол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно (рис. 2), график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

Теорема Карно доказывает, что КПД такого двигателя не зависит от используемого рабочего тела, поэтому его можно вычислить, используя соотношения термодинамики для идеального газа:

Экологические последствия работы тепловых двигателей

Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:

  1. Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
  2. Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
  3. Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.

Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей (КПД современных тепловых машин редко превышает 30%); использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов; использовании альтернативных источников энергии (солнечные батареи и обогреватели) и альтернативных средств транспорта (велосипеды и др.).

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Методическая разработка открытого урока по дисциплине: «Статистика» по теме «Классификация статистических показателей» для специальности: 38.02.01 «Экономика и бухгалтерский у.

Методическая разработка открытого урока по дисциплине: «Экономика организации». тема: «Задачи и виды внутрипроизводственного планирования. Бизнес-планирование в организации, его цели и .

Методическая разработка открытого урока по теме: «Спрос и предложение. Рыночный механизм». по дисциплине: «Экономическая теория» для специальности: 03.47.02 «Документационное .

Методическая разработка открытого урока . тема «Предпринимательство как фактор производства. Прибыль предпринимателя» по дисциплине: «Основы экономиеской теории&quot.

Данный открытый урок проводится с целью обмена опытом и представления опыта преподавателя при проведении аттестации на первую квалификационную категориюТема: «Природа конфликтов, причины во.

Методическая разработка интегрированного урока по теме: Приготовление пирогов: «Американский яблочный пирог» Данная разработка предназначена обучающимся 11классов.Актуальность интегрированного заняти.

Влияет ли правильная установка холодильника на качество его работы?

Сразу после покупки новой холодильной камеры необходимо выполнить рекомендации, указанные в инструкции. Как показывает практика, правильная установка техники действительно влияет на качество ее работы.

Итак, пользователю важно выполнить следующие шаги:

  1. Заранее подготовить место для установки холодильника. Оно должно быть идеально ровным и удаленным от источников тепла в помещении.
  2. После установки дать холодильнику постоять, или «отдохнуть», как говорят профессионалы, в течение 3―6 часов. Во время транспортировки технику могли наклонять в разные стороны, в результате чего масло из компрессора могло попасть в трубопровод с фреоном. Если холодильник включить сразу после доставки и установки, он может выйти из строя из-за неправильной работы компрессора и мотора.
  3. Отрегулировать положение ножек холодильника, чтобы он не шатался. Профессионалы рекомендуют при установке делать небольшой угол наклона назад (как правило, к стене). В этом случае дверцы будут плотнее прилегать к камерам.
  4. Заранее подготовить сетевой фильтр или стабилизатор напряжения, если в доме наблюдаются частые скачки напряжения.
  5. После первого запуска загружать отсеки в камере постепенно, порциями, чтобы устройство плавно достигало рабочей температуры.

Современное холодильное оборудование ― сложное устройство, требующее особого подхода. Во многих случаях найти причину неисправности может только специалист, который разбирается в устройстве бытовой техники. Задача владельцев ― вовремя обратить внимание на перемены в работе холодильника. Основные сигналы, свидетельствующие о поломках, связаны с изменением продолжительности функционирования компрессора, появлением посторонних звуков, ухудшением эксплуатационных качеств (например, плохое охлаждение воздуха внутри камеры). Помимо этого, важно учитывать, сколько времени проходит с момента начала работы компрессора до его остановки и следующего запуска. Зная эти особенности, вы сможете вовремя заметить неисправность и вызвать мастера.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector