СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Cтатьи и Публикации    Альтернативная Энергетика    Другие и неизученные методы получения энергии ’ЖИДКИЙ ПОРОХ’ - САМОЕ АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ТОПЛИВО. Часть 1.

'ЖИДКИЙ ПОРОХ' - САМОЕ АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ТОПЛИВО. Часть 1.

© Трунин А.С., проф., д.х.н., СамГТУ

© Макаров А.Ф., с.н.с., НЦ ВостНИИ, г. Кемерово

© Лесов В., инженер, СПб

Контакт с авторами: vostnii@kemnet.ru

Не секрет, что в 21 веке на смену “обычным” двигателям внутреннего сгорания (ДВС) придут альтернативные силовые технологии, подобно тому, как в 20 веке двигатели Н.Отто и Р.Дизеля вытеснили паровые машины 19 века. Ведущие центры и автофирмы уже ведут конкурентную борьбу за “альтернативные” топлива и энергосберегающие циклы. Перспективна адаптация существующих ДВС к более “водородистым” и экологичным топливам: спиртам, метану, водороду. Осваиваются альтернативные циклы силовых установок (электротопливные ячейки, гибридные электро-ДВС, с рекуперацией энергии торможения и пр.). Главные проблемы – пока что высокая стоимость и сложность всего “альтернативного”. В загадочной России многие вещи бывают непредсказуемо "альтернативны", в особенности, чиновники и Грамотные Специалисты. А также плохие дороги, разумеется.

Однако, даже на “альтернативном” топливе схема поршневого или газотурбинного ДВС – как тепловой машины для преобразования химической энергии в механическую работу – на самом деле “неальтернативна”. Всё так же дозы топлива (горючего) должны сгорать в сжатом воздухе (окислителе), а продукты – толкать поршень или вращать турбину. Адаптация серийного “механического” ДВС к топливу-метанолу или даже к водороду не претендует на “альтернативную силовую установку”. Принципиальные недостатки воздушно-топливного цикла остаются: ограниченное полезное расширение газов вспышки и затраты мощности на предварительное сжатие воздуха-окислителя. По этим причинам КПД поршневых и турбо-ДВС ограничен до 30-35%, а до 60-70% выделяемой энергии – бесполезно греют окружающую среду с выхлопными газами, через радиатор и узлы трения. Про “экологичность” и “возобновляемость” нефтяных ресурсов речь здесь не идёт.

Но сформулируем проблему “альтернативности” ДВС в абсолютном “альтернативном” пределе: альтернативное топливо - для альтернативных циклов, плюс: безопасность, возобновляемость ресурсов, независимость от окружающей среды. Стоимость единицы “альтернативной” работоотдачи должна быть конкурентоспособна с существующими ДВС, а количество движущихся частей силового агрегата – минимально, вплоть до полного отсутствия “двигателя” и “движителя” или с совмещением их функций в одном компактном силовом узле. Вот это будет взаправду альтернативно! Изобретать, так изобретать. Может ли такое быть?

Топливо, альтернативное и не очень

Новое – хорошо забытое старое

Вполне “альтернативны” циклы работоотдачи унитарных топлив; от “греческого огня” с селитрой и нефтью и китайских "огненных стрел" – до огнестрельных и оборонных технологий. Унитарные топлива содержат и горючие вещества, и окислители; кислород воздуха им не нужен, и поэтому затрат в цикле “сжатия” не будет, т.к. всегда будет лишь цикл “чистого” расширения. Унитарные топлива вполне работоспособны: на сотню км под водой плывут турбо-скоростные торпеды; с высокой скоростью летят “пороховые” снаряды и работают “безатмосферные” турбо-насосы жидкостных ракет; с космической работоотдачей сгорают унитарные топлива в твердотопливных ускорителях. Однако, для гражданских технологий “оборонные” окислители не годятся из-за высокой стоимости, опасности в обращении или токсичности (перекись водорода, жидкий кислород, двуокись азота, перхлораты и пр. экзотические вещи).

Водонитратное топливо для ДВС и удобрений

Проблема “гражданского” окислителя решается для водонитратных топлив – на основе нитрата аммония NH4NO3 (удобрение аммиачная селитра, АС) и сорастворимых горючих: ОКИСЛИТЕЛЬ+ГОРЮЧЕЕ+ВОДА. Свойства АС по ГОСТ 2-85 и её растворов изучены в теории промышленных ВВ. Растворонаполненные композиции АС с невзрывчатыми горючими веществами при обычной температуре неспособны к детонации (в отличие от порошкообразных смесей), а при атмосферном давлении – и вовсе пожаробезопасны в сравнении с бензином. Мировое производство АС около 20 млн.тонн в год. Наиболее технологичны легкоплавкие и высокорастворимые композиции промышленных растворов синтеза АС с аминными горючими (типа карбамида CO(NH2)2, уротропина (СН2)6N4) эвтектической природы. Продукты экзотермических реакций сбалансированных по кислороду композиций: водяные пары (до 60-65%), азот (до 30-35%) и углекислый газ (до 10-15%), например:

3NH4NO3 + CO(NH2)2 = 8H2O (пар) + 4N2 + CO2 .

Экспериментально найден простой способ подавления на 100% окислов азота NOx в зоне реакций конденсированной фазы с горючими аминной природы, чему способствует “молекулярная” гомогенизация окислителя и сорастворимых горючих в твёрдых или жидких растворах и плавах, а также разнополярная степень окисления атомов азота в аминах и нитратах.

Массовая доля углерода в стехиометрической композиции АС/карбамид 80/20 составляет лишь 4%, что примерно в 20 раз ниже “углеродистости” топлива-бензина (86-90%) и метана (75%). Заметим, что для 100%-безуглеродных горючих веществ (аммиак, водород, гидразин и т.п.) в смеси с окислителем-АС “углеродистость” топливных смесей составит 0%, что можно классифицировать как разновидность водородной энергетики унитарных топлив.

Термодинамика унитарных топлив

Степень расширения рабочего тела-газа из конденсированной фазы “пороха” может достигать до V2/V1 ~1500 единиц, что на 2 порядка превосходит расширение воздушно-топливных зарядов в обычных ДВС, а термодинамический КПД цикла “чистого” расширения достигает до 87% - при ограничении температуры отработавших газов до Т2 ~1000С (вода – пар). В самом предельном случае нулевого расширения газов – взрыв или вспышка в собственном объёме конденсированной фазы (ρ0 ~1,5 г/см3) – максимальные параметры безводных систем достигают до Т0 ~28000К, Р0 ~5*104 атм.. Энерговыделение (Q,ккал/кг) горячих композиций “сходит на нет” при содержании воды свыше 50-60% (вода – пар).

Расчёты по снижению начальных параметров (Т1, Р1) вспышек топливных доз в зависимости от степени расширения V2/V1 в адиабатном цикле до конечных значений (Т2, Р2) приведены в таблице. Показатель политропы для водонитратных вспышек k=1,294.

Таблица

Степень расширения, V2/V1

10

50

100

500

1000

Снижение абс.температуры Т12

Снижение абс.давления Р12

1,97

19,7

3,16

157,9

3,87

387,3

6,22

3108

7,62

7621

Термодинамич. КПД

49 %

68%

74%

84%

86%

Потенциальная энергонасыщенность большинства водонитратных композиций находится в пределах 800-950 ккал/кг, с удельным газообразованием примерно 1000л/кг, что соответствует работоспособности современных бездымных пироксилиновых порохов. Опуская скучные расчёты с расширением газов в ДВС (доступные не всем ДВС-никам), уд.расход “жидкого пороха” по сравнению с топливом-бензином при степени расширения газов V2/V1 = 50 возрастёт до 4-5 раз по массе (или в 2-2,5 раза - по объёму). Однако “большой топливный бак” – компенсируется дешевизной компонентов “топлива-пороха”, а возможности форсирования “порохового” цикла – отвечают запросам рынка “сделать ближнего хотя бы на дороге”, когда самый навороченный "нитрос" глубоко отдыхает. Поскольку холодный “водный порох” при любой аварии не может стать “динамитом”, функциональный бак будет “передним бампером безопасности”. Чрезвычайная гигроскопичность эвтектических карбамидсодержащих и пр. смесей исключит самопроизвольное или даже намеренное обезвоживание “пороха”-раствора во всех климатических зонах.

На лабораторной установке обнаружена корреляция между способностью продуктов водонитратного термолиза двигать поршень и расчётной теплотой взрыва (вспышки) - в пересчёте на сухие вещества.

Что может быть проще пороха?

Оказывается, концепция ДВС изначально проста и “естественна” именно для конденсированных унитарных топлив, без разделения на “горючее” в баке и “окислитель” из воздуха.

Оказывается, в теории тепловых машин проще пороха быть не может ничего.

Оказывается, век “нефтяного” развития ДВС Отто и Дизеля – ошибка.

Двигатель, очень альтернативный

Гипердизель супер-турбо

Для альтернативного топлива-“пороха” необходимы и альтернативные “безатмосферные” схемы ДВС. Впрочем, исключив циклы проветривания в схеме 4-тактного ДВС, можно заставить его работать как 2-тактный “гипердизель” с горячей форкамерой мини-реактора, или даже заново изобрести 1-тактный поршневой цилиндр т.н. “двойного действия” с мини-реакторами вспышек топливных доз по торцам цилиндра. Если начальные параметры (Р1, Т1) “водопороховых” вспышек задать по уровню (т.н. “индикаторных” показателей) рабочей смеси “обычных” ДВС, то один цилиндр “двойного действия” будет эквивалентен сразу восьми 4-тактным бензиновым цилиндрам. При большом адиабатном расширении из конденсированного “ничего” и парообразовании воды-растворителя – жидкостное охлаждение рабочей зоны необязательно. Для регулирования цикличного сгорания доз “жидкого пороха” найдены водорастворимые присадки-антидетонаторы и катализаторы.

Эксперименты по окислительсодержащим подсадкам в цикл серийных бензиновых ДВС обнаружили малую скорость сгорания растворов и склонность к детонации комбинированных газоаэрозольных зарядов.

Очевидно, что для непрерывно-турбинных циклов – дорогие и сложные воздушные компрессоры вряд ли понадобятся, а требования к жаропрочности рабочих зон – снижаются пропорционально “обводнённости” окислительсодержащих топлив.

“Пороховой” ДВС сможет работать как на суше, так и в “безатмосферной” стратосфере, на Луне или под водой.

Мотор-колесо

Весьма “альтернативно” “унитарное” мотор-колесо: силовой агрегат под капотом или в багажнике авто отсутствует, а привод колёс осуществляется “встроенными” в колёса гидро- или пневмо-двигателями, запитанными от центрального мини-реактора – генератора рабочего тела высокого давления. Основная трудность – создание “вписанных” газорасширительных мини-машин с высокой степенью полезного расширения рабочего газа. Зато – без карданов, коленвалов, трансмиссии, дифференциалов и пр. зауми двигателистов. В крайнем случае, “подрессоренные” турбины расширения газов или гидромоторы можно разместить над парой ведущих колёс с полуосями.

О летающих и плавающих аппаратах на унитарном топливе, а также других вариантах его применения читайте в следующих выпусках.

Дата публикации: 20 октября 2003
Источник: SciTecLibrary.ru

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:
Свернуть Защита интеллектуальной собственности и авторских прав
Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения.
Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков.
Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр.
Свернуть Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.
Свернуть Мозговой штурм
Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора.
Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда.
Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике.
Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении.
Свернуть Взгляд в будущее и настоящее
Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности.
Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний.
Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества...
Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения.
Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете.
Свернуть Гуманитарные науки и дисциплины
Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий.
Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран.
Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными.
Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить.
Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.