Синергетический подход к созданию тепловых машин

Белозеров Валерий Владимирович доктор технических наук профессор, Донской государственный технический университет, Генеральный директор, ООО "НПТ Центр ОКТАЭДР" 344091, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, ул. Каширская, 22 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 Другие публикации этого автора

Сотников Виктор Петрович авиаинженер 86402, Украина, Донецкая область, г. Енакиево, ул. Бородина, 38 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.