A Synergetic Approach to Heat Engines Design

Belozerov Valerii Vladimirovich Doctor of Technical Science General Director at LLC “Scientific Technological Production Center OKTAEDR”; Professor at the department of Automation of Production Processes, Don State Technical University 344091, Russia, Rostov-on-Don, ul. Kashirskaya, 22-41 safeting@mail.ru Other publications by this author

Sotnikov Viktor Petrovich aviation engineer 86402, Ukraina, Donetskaya oblast', g. Enakievo, ul. Borodina, 38 octaedr@list.ru

Теоретический Регенеративный цикл Карно (Обобщенный цикл Карно), впервые был предложен российским ученым Иваном Алексеевичем Вышнеградским в 1873 г. ^[1].

Рис/ 1 - Регенеративный (обобщенный) цикл Карно

Цикл состоит из двух изотерм 1-2, 3-4 и двух регенерационных политроп 2-3, 4-1 эквидистантных на TS-диаграмме. Благодаря регенерации теплоты этот цикл имеет такой же термический КПД, как и классический цикл Карно с двумя изотермами и двумя адиабатами, который является теоретически максимальным пределом КПД для теплового двигателя в данном интервале температур цикла. Графическое изображение Регенеративного (обобщенного) цикла Карно имеет форму криволинейного четырехугольника.

Такую же форму имеет и цикл Стирлинга, являющийся частным случаем Регенеративного (обобщенного) цикла Карно с регенерацией теплоты в изохорических процессах. Но даже в современных двигателях Стирлинга с внешним подводом теплоты графическое изображение действительного кругового процесса имеет скругленную (овальную) форму ^[2]. Это означает, что действительные процессы в двигателях Стирлинга весьма далеки от изотермических и изохорических процессов, а форма графического отображения действительного процесса весьма далека от формы теоретического цикла Стирлинга. Основными причинами этого несоответствия эталонному циклу являются осуществление процессов в едином, общем (унитарном) рабочем объеме двигателя и гармонический закон движения поршней двигателя. Вследствие существенных отличий действительных процессов от теоретических изотермических и изохорических процессов коэффициент полезного действия (КПД) двигателей Стирлинга близок к КПД дизельных двигателей ^[3]. Низкий КПД и сложность конструкции двигателя Стирлинга обусловливают их ограниченное использование ^[2,5].

Еще более далека форма действительных процессов от формы Регенеративного (обобщенного) цикла Карно у повсеместно используемых двигателей – поршневых ДВС, газотурбинных и паротурбинных двигателей. Термические КПД термодинамических циклов Отто, Тринклера-Сабатэ, Брайтона, Ренкина, лежащих в основе работы этих двигателей, заведомо ниже термического КПД Регенеративного (обобщенного) цикла Карно. Вследствие этого производимые ДВС и ГТД для транспортных систем имеют весьма низкие КПД, в сравнении, например, с КПД построенных в последнее время и бурно развивающихся силовых установок на базе топливных элементов ^[4].

Значительные отличия применяемых термодинамических процессов двигателей от Регенеративного (обобщенного) цикла Карно в тепловых двигателях являются главной проблемой двигателестроения, поскольку они обусловливают постоянное избыточное сгорание топлив в тепловых машинах, сопровождающееся непрерывным сбросом в окружающую среду огромных количеств избыточно образующихся парниковых и токсичных газов, а также избыточной теплоты, высвобожденной, но не превращенной в полезную работу. Здесь термин «избыточный» применяется в смысле «превышающий в сравнении с таким же параметром, рассчитанным по соответствующему Регенеративному (обобщенному) циклу Карно».

Учитывая высокий научно-технический уровень подавляющего большинства систем современных двигателей можно констатировать, что приближение формы действительных процессов изменения состояния рабочего тела в двигателях к форме Регенеративного (обобщенного) цикла Карно является основным и практически не задействованным ресурсом повышения энергетической эффективности тепловых двигателей.

Фундаментальной причиной невозможности осуществления эффективных приближений рабочих процессов в существующих двигателях к Регенеративному (обобщенному) циклу Карно, по нашему мнению, является организация рабочих процессов цикла в единых, общих рабочих камерах двигателей. Иными словами, процессы в традиционных тепловых машинах обладают общим свойством унитарности процессов, которое особенно ярко проявляется в наиболее массовых тепловых двигателях – поршневых ДВС ^[2].

Цель настоящего исследования заключалась в нахождении научно-технических решений, пригодных для производства двигателей, у которых конфигурация действительных рабочих круговых процессов близка к Регенеративному (обобщенному) циклу Карно, что планируется осуществить на основе модуля, который является дифференциальной винтовой машиной с обособленными тепловыми секциями ^[6,7].

Упрощенная развертка цилиндрических сечений этой машины (рис. 2) показывает, что машина состоит из большой (снизу) и малой (сверху) винтовых машин, и размещенного между ними блока неподвижных обособленных тепловых секций. Каждый модуль состоит из двух винтовых роторов, находящихся в бесконтактном зацеплении между собой, что обеспечивается синхронизирующей зубчатой передачей (на рис. 2 не показана). Соответственные пары роторов кинематически связаны с возможностью передачи вращающих моментов ^[2].

Обособленные тепловые секции могут быть, в частности, пучками теплообменных трубок у машин с внешним подводом и отводом теплоты или трубчатыми камерами сгорания у машин с внутренним подводом теплоты ^[6,7].

Рис. 2 - Дифференциальная винтовая машина с обособленными тепловыми секциями

Процессы, происходящие в дифференциальной винтовой машине с обособленными тепловыми секциями, обладают новым свойством множественности процессов. Это свойство наглядно иллюстрируется на рис.2: разные порции рабочего тела, одновременно находящиеся в разных обособленных тепловых секциях (камерах), имеют разные плотности и давления (что отображено разной раскраской полостей), то есть совершают разные термодинамические процессы в одной машине. Результирующий процесс в многопроцессной (мультипроцессной) машине является суммой множества разных процессов, организуемых одновременно во множестве разных рабочих камер в отношении множества разных порций рабочего тела ^[2].

Тепловой двигатель выстраивается путем объединения нескольких модулей дифференциальных винтовых машин с разными объемными расходами и тепловыми характеристиками в единое целое. В частности, принципиальная схема дифференциального винтового двигателя с внешним подводом теплоты и регенерацией теплоты при переменном давлении показана на рис. 3. Это двигатель закрытого цикла ^[2].

Рис. 3 - Дифференциальный винтовой двигатель с внешним подводом теплоты

Температура рабочего тела в разных местах проточной части двигателя отображается «холодными» и «горячими» цветами раскраски полостей. В верхней части условно изображен дифференциальный винтовой охлаждаемый компрессор, включающий большую и малую винтовые машины и размещенный между ними блок обособленных тепловых секций. Наклонные развертки винтовых зубьев и впадин компрессора движутся сверху вниз. Внутренние элементарные рабочие камеры уменьшаются в объеме и от рабочего тела отводится теплота для компенсации повышения температуры сжимаемого газа, чем обеспечивается средняя температура, близкая к нижней температуре цикла, а среднее давление в каждой последующей в окружном направлении элементарной рабочей камере больше, чем в предыдущей.

В нижней части схемы изображен дифференциальный винтовой нагреваемый детандер, включающий большую и малую винтовые машины и размещенный между ними блок обособленных тепловых секций. Наклонные развертки винтовых зубьев и впадин детандера движутся снизу вверх. Внутренние камеры детандера увеличиваются в объеме и к рабочему телу в тепловых секциях подводится теплота извне для компенсации снижения температуры расширяющегося газа, чем обеспечивается средняя температура, близкая к верхней температуре цикла, а среднее давление в каждой последующей в окружном направлении элементарной рабочей камере меньшее, чем в предыдущей.

Горизонтальные красные стрелки символизируют тепловые потоки процесса регенерации теплоты в дифференциальном винтовом регенераторе, обособленные тепловые секции которого на схеме представлены в форме вертикальных трубок слева и справа. В каждой из трубок регенератора рабочее тело имеет разную среднюю температуру и разное среднее давление. Сопряженные тепловые секции слева и справа связаны попарно обособленными теплопроводами в перекрестном порядке – первые с последними, последние с первыми, благодаря чему обеспечивается регенерация теплоты в результирующих процессах с переменным давлением. Выбор показателя регенерационных политроп (2-3 и 4-1 на рис. 1), то есть наклон этих политроп, осуществляется на стадии проектирования в весьма широких пределах. Например, это может быть изохора или изобара, или любая из множества политроп между изохорой и изобарой ^[2].

Создание в дифференциальных винтовых двигателях круговых процессов, близких по форме, например, к циклу Стирлинга, или Эриксона, или к другим циклам семейства Регенеративного (обобщенного) цикла Карно, способствует повышению КПД, уменьшению избыточного сброса теплоты, высвобожденной при сгорании топлива, но не превращенной в полезную работу двигателя, снижению избыточного сброса парниковых и токсичных газов.

В то же время, для достижения норм Евро-5 и Киотского протокола, помимо избыточного сброса теплоты необходимо минимизировать выбросы в окружающую среду вредных веществ (СО, NOx, СnHm и др.).

Известно ^[8], что для сжигания топлива в ДВС используется воздух, 78% которого составляет азот и только 21% - кислород. То есть, азот в топливно-воздушных смесях является реагентом, который повышает вред окружающей среде (появление в отработавших газах NOx, NH3, HCN), и мешает полному сгоранию топлива. Поэтому сокращение токсичности выбросов, для достижения норм Евро-5 и Киотского протокола, является создание и реализация моделей тепловых машин, в которых сгорают топливно-кислородные смеси ^[9]. В этом случае, для обогащения кислородом воздуха можно использовать различные способы и устройства ^[10-15].

Однако такое решение порождает следующие проблемы, требующие новых конструкторских решений:

во-первых -обогащение воздуха кислородом приведет к росту температуры и давления в цилиндрах в несколько раз, что потребует использования термобаростойких материалов ^[9];

во-вторых – использование топливно-кислородных смесей (из-за бифуркационного характера их самовоспламенения) потребует изменения устройств впрыска в инжекторных и дизельных двигателях, а также сделает невозможным применение карбюраторов ^[16];

в-третьих – повышение температуры и давления в цилиндрах ДВС изменит условия тепло-газообмена, включая выбросы, а также усложнит управление ими ^[9];

в-четвертых – получение, хранение и использование кислорода, который является сильнейшим окислителем, потребует не простых конструкторских решений ^[8,16].

Однако для двигателей с внешним подводом теплоты существенной является только последняя проблема, связанная с получением, хранением и использованием кислорода, которую (в настоящей НИР) планируется решить с помощью термомагнитного сепаратора воздуха (ТМСВ).

Рис. 4 - Схема ТМСВ

ТМСВ (рис.4), разработанный в ходе НИР по программам и грантам Минобразования РФ ^[9,17] и, защищенный в последствии патентом РФ на изобретение его «витковый» вариант (рис.4) с «наноперегородкой-мембраной», обеспечит уменьшение величины напряженности магнитного поля и температуры по направлению к противоположной стенке канала, по которому течет воздух, что позволяет получить на выходе сепаратора пространственное разделение кислорода – единственного парамагнетика в атмосферном воздухе, и азота с остальными газами, являющимися диамагнетиками ^[18].

Дело в том, что пренебрегая диссипацией энергии в газовом потоке, вызванного силами вязкого трения, движение газа описывается уравнением Эйлера, через - поле вектора скоростей газа, p- давление газа, - магнитную поляризуемость отдельной молекулы и Н - напряженность магнитного поля ^[16-18]:

(1)

из которого, после известных преобразований получим выражение для плотности молекул газа в виде распределения Больцмана

(2)

где U = - αH2 /2 - потенциальная энергия отдельной молекулы газа, обладающей пара- или диамагнитными свойствами, находящейся во внешнем неоднородном магнитном поле.

Уравнение (2) справедливо для каждой отдельной компоненты смеси газов в силу принципа детального равновесия. Таким образом, плотность молекул кислорода (O2), обладающих парамагнитными свойствами, будет увеличиваться в области сильного магнитного поля, а плотность азота (N2) и остальных атмосферных газов, обладающих диамагнитными свойствами, будет возрастать в области слабого магнитного поля. И, остается найти и расположить магниты так, чтобы обеспечить уменьшения квадрата напряженности магнитного поля поперёк канала, что и было реализовано в «витковом» варианте ТМВС (рис.5).

Для уменьшения диффузии, мешающей отделению кислорода, в ТМСВ была введена наноперегородка ^[9,16], устанавливаемая вдоль канала на расстояниях, соответствующем объемным концентрациям кислорода и азота с остальными газами ^[17], а для повышения эффективности сепарации воздуха, получающийся «азотный подканал» (между «наноперегородкой-мембраной» и стенкой) охлаждался (термоэлементами Пельтье, элегазом или вихревыми модулями Азарова) ^[18].

Проведенные исследования показали ^[9,16-18], что именно сепарация кислорода из воздуха, является наиболее эффективной,

во-первых, она реализует режим «бесконечного источника кислорода», т.е. сепарирует из атмосферы необходимо количество молекул кислорода для полного сгорания топлива,

во-вторых, она реализует режим «бесконечного источника охлажденного азота», который может быть использован в системе охлаждения ДВС,

в-третьих, азот, после отделения от остальных диамагнетиков (паров воды, углекислого газа и т.д.), может накапливаться и использоваться во многих основных и вспомогательных подсистемах автомобиля (например, в газовой подсистеме тормозов, в автоматической подсистеме накачивания и контроля давления в шинах, в автоматической подсистеме газовых амортизаторов с их подкачкой и выравниваем клиренса в зависимости от нагрузки и т.д.),

в-четвертых, азот, являясь инертным огнетушащим составом, может использоваться (по аналогии с самолетами) в автоматической подсистеме пожаротушения ДВС, что повышает безопасность эксплуатации автомобиля.

Рис. 5 - Витковый вариант термомагнитного сепаратора воздуха

Предлагаемое решение – результат исследований участников настоящего проекта, в т.ч. при финансировании фундаментальных и прикладных исследований в этих направлениях по программам и грантам Минобразования РФ, а также отраслевых программ ^{[6,7,9,16-18]}.

Результаты НИР, а именно – лабораторный образец ТМСВ и разработанные модели МДВД –ТМСВ с внешним и внутренним сгоранием, могут быть использованы для проведения опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, направленных на создание:

- высокоэкономичных, экологически чистых и пожаробезопасных двигателей внутреннего и внешнего сгорания, использующих получаемый ТМСВ кислород при сжигании топлива, а сепарированный азот – в системе охлаждения и противопожарной защиты транспортного средства (автомобиля, локомотива и т.д.).

- экологически чистых и пожаробезопасных котельных и ТЭЦ (и реконструкции действующих), использующих, получаемый ТМСВ кислород при сжигании топлива, а сепарированный азот – в системе противопожарной защиты котельных и ТЭЦ.

Для определения перспективы коммерциализации получаемых результатов, в ходе выполнения НИР предусмотрены:

- разработка рекомендаций по оптимизации конструкции ТМСВ на предмет замены электромагнитов на постоянные магниты и минимизации энергозатрат на охлаждение ТМСВ,

- разработка проекта технического задания на ОКР и ОТР для постановки на производство ряда ТМСВ на предприятиях оборонно-космического комплекса,

- разработка проекта технического задания на ОКР и ОТР для проектирования и изготовления образца МДВД-ТМСВ,

- технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.