21.10.2003 09:38
╘ 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: valery.lesov@petroscan.ru
рис. см. здесь
В предыдущей статье рассказывалось об унитарных топливных композициях в виде сорастворимой фазы горючих веществ с окислителем нитратом аммония. В данном разделе описываются некоторые области применения дешёвого "жидкого пороха" в гражданских технологиях. Возможные конструкции двигательных и силовых установок на унитарном топливе принципиально просты по сравнению с существующими ДВС.
Реактивный винт
Ещё более ⌠альтернативен■ движитель типа ⌠реактивный винт■, вращающийся реактивным выхлопом из сопел на концах лопастей. Если мини-реакторы ⌠жидкого пороха■ разместить там же или изготовить в виде тора на оси вращения винта, мы получим силовой агрегат, совмещающий функции ⌠двигателя■, ⌠движителя■ и ⌠топливного насоса■; узлы трения √ лишь два опорных подшипника вращающейся оси винта. Центробежно-радиальные силы ⌠втягивают-качают■ высокоплотный раствор из бака через каналы оси и лопастей в горячий реактор, откуда сжатые газы выбрасываются через периферийные сопла. Стартовая ⌠раскрутка■ винта √ от пиропатронов в специальной ⌠камере зажигания■. Топливом могут быть не только растворы ⌠пороха■, но и окислительсодержащие эмульсии, а также суспензии порошка угля в загущённом растворе АС, или даже пены. В последнем случае в окислительсодержащий раствор с избытком горючих веществ (спирты, уротропин, каменный уголь) вводятся пенообразователи-ПАВ, и простейший ⌠пено-карбюратор■ ⌠взбивает■ низкократную пену с ⌠бесплатным■ воздухом-окислителем. Осевой шнек-винт-насос гонит-сжимает пену с воздухом в осевой же реактор. Дожигание топлива в ⌠бесплатном■ воздухе снизит прожорливость двигатель-винта до 1,5-2 раз и, соответственно, увеличит радиус перемещения транспортного средства без дозаправки. Заключив гремучий винт в кольцевой аэродинамический сегмент, можно повысить безопасность и полезную ⌠направленность■ импульса газовоздушных масс.
Толкающий реактивный винт может быть движителем для индивидуальных летательных аппаратов, а цилиндрический сегмент вокруг винта √ кольцевым крылом или ⌠хвостовым оперением■ летучего аэромобиля.
⌠Вечный■ двигатель √ из металлолома?
Однако, самый-самый альтернативный двигатель на самом-самом альтернативном топливе √ ⌠вечный■, т.е. вообще без движущихся механических частей и узлов трения. Возможно ли в качестве ⌠опоры-поршня■ для расширяющихся ⌠из ничего■ паров-газов использовать ⌠бесплатное■ вещество окружающей среды, например, воду?..
Простейшая схема ⌠немеханического■ газо-водомёта √ конечно, труба. Принцип прост, как мычание: вода - высокоплотное рабочее тело - разгоняется в трубе ориентированным выхлопом из реактора. И всё (!). КПД такого газо-водомёта будет зависеть от расширения реакторных газов в трубе с водой, ⌠отбрасывающих■ водяные массы с реактивным эффектом, а тяга √ от ⌠проточности■ трубы. Оптимальны могут быть форсунки-решётки, или ⌠кольцевые■ форсунки, частично перекрывающие внутреннее сечение с эффектом ⌠запирания■ движущихся масс и регулируемым диффузором набегающего потока. Разгон ⌠плотной■ воды по трубе целесообразен в несколько ступеней ускоряющих форсунок-сопел. Дуракоустойчивость ⌠газоплава■ в сравнении с навороченными ДВС на рынке малых и скоростных судов очевидна. Для подводных кораблей можно резко снизить сопротивление среды пузырьковой ⌠шубой■ из носовых движителей. Энергоёмкость водонитратного топлива на 2 порядка выше аккумуляторных отсеков обычных субмарин.
⌠Немеханический■ аэроцикл
Тот же принцип ⌠немеханического газохода■, в принципе, возможен и для движения с ⌠отталкиванием от воздуха■ (как и в случае ⌠реактивного винта■). Плотность атмосферы меньше плотности воды на три порядка - и во столько же надо увеличить проходное сечение двигателя-трубы. Для ⌠альтернативных■ летательных аппаратов (ЛА) разместить решётку сопловых форсунок можно, например, на планере-биплане между парами несущих плоскостей, или┘ между фюзеляжем и кольцевым крылом сверхмалого летательного аппарата (СЛА). Описываемая лёгким кольцевым крылом площадь должна быть не менее 20-30м2, и в вертикальном положении СЛА на ⌠холостом ходу■ должен скользить на шасси ⌠воздушной подушки■, а на форсаже √ взлетать вертикально. После набора высоты аэроцикл ложится на горизонтальный курс с экономичным ⌠самолётным■ расходом рабочего тела и опорой на кольцевое крыло-цилиндр. По оценкам, при взлётной массе гипербайка до 300кг скорость газовоздушного выхлопа должна составлять до 30-40м/сек. Скорость рабочих ⌠сопловых■ газов необходима на порядок выше, а пространственный импульс ⌠решётки выхлопа■ (с ограничением по длине зоны ⌠двухконтурного■ смешивания) - специально ориентирован. КПД ⌠газолёта■ определится падением давления и температуры в соплах-форсунках, ⌠газоструйностью■ смешивания с воздухом и внутренней геометрией прямоточной трубы. Суммарный ⌠тёплый ветер■ выхлопа √ будет на 1-2 порядка слабее чего-то газотурбинного или ракетного... Но если сравнить стоимость ⌠немеханического■ аэроцикла с существующими ЛА в режиме ⌠вертикальный взлёт-посадка■, пусть даже с посадочным парашютом в носу СЛА┘
Оказывается, на унитарном топливе возможны самые разнообразные схемы принципиально простых газорасширительных машин, в т.ч. с совмещением ⌠двигателя■ и ⌠движителя■, дожигом топлив в ⌠бесплатном■ воздухе, и даже √ ⌠немеханические■ циклы без движущихся частей, и даже в режиме регулируемого ⌠непрерывного взрыва■.
Жидкофазные реакторы и ⌠твердотопливные■ циклы
Все нержавеющие реакторы газораспада ⌠водонитратного пороха■ можно разделить на жидкофазные реакторы, гибридные и твердотопливные заряды-реакторы √ по аналогии с конструкцией жидкостных, гибридных и твердотопливных зарядов ракет.
Жидкофазные реакторы
Жидкофазные мини-реакторы легко регулировать, но к ним нужен топливный насос высокого давления с приводом для подачи раствора из внешнего бака. Чтобы экономить на массе ⌠балластного■ растворителя-воды, топливная магистраль обогревается противотоком (⌠труба-в-трубе■) теплом отработавших газов с регулируемой конденсацией водяного пара обратно в бак для растворения-разогрева рабочих порций энергоносителя. Тогда в бак можно загружать даже кристаллизованные плавы топлива (шары, цилиндры, эллипсоиды) с минимальным содержанием ⌠балластного■ растворителя, который станет ⌠самовозвратным■ в цикле растворение √ сгорание √ растворение. (Критический диаметр детонации высокоплотных горячих плавов АС составляет не менее 40-50мм, что много выше необходимого сечения ⌠горячего■ топливопровода из холодного бака.) До 5-8% энергии добавится в цикл ⌠бесплатно■, - с утилизацией конденсационного тепла отработавших паров воды. Наконец, тепловой эндоэффект растворения АС в воде, к счастью, протекает с заметным аккумулированием тепла из окружающей среды (до 78 ккал/кг), что практически компенсирует затраты на парообразование растворителя в реакторе при ⌠самосжигании■ горячельющихся плавов, содержащих 5-10% воды.
Известны также перспективные способы ⌠ожижения■ АС на неводных горючих-растворителях, где вода отсутствует вообще.
Твердотопливные газовые ⌠батарейки■
В противоположность ⌠стационарным■ жидкофазным схемам, в ⌠одноразовых■ твердотопливных элементах под давлением медленно горят цилиндрические заряды кристаллизованных плавов в режиме ⌠пиротехнического газогенератора■ или ⌠самораспространяющегося молекулярного газораспада■. За простоту конструкции ⌠твердотопливных батареек■ придётся платить жаропрочностью всего корпуса и трудностями регулирования и пуска реакций. После выгорания заряда ⌠батарейки■, в её прочный корпус помещается болванка нового заряда и цикл повторяется. Из ⌠батареек■ можно собирать сколь угодно большие ⌠батареи■ с ресиверами и аккумуляторами давления ⌠холостого хода■ и пр. конструкторские решения.
Экспериментально найдены эффективные катализаторы и стабилизаторы реакций ⌠водонитратных пиротехнических свечей■. Скорость сгорания зарядов под давлением 1 атм. для большинства кристаллизованных горячельющихся плавов - в пределах 0,1-1,5 мм/сек. В отсутствии катализаторов и спец.пространственных стабилизаторов горения, ⌠голые■ шашки зарядов на воздухе ⌠пожаробезопасны■, т.к. температура их воспламенения много выше температуры плавления смеси, и всё подводимое тепло при 1 атм. расходуется на плавление и парообразование ⌠вхолостую■.
Сменные твердотопливные элементы перспективны взамен тяжёлых компрессоров - как мобильные генераторы высокоработоспособных газов для привода пневмоинструментов, пневмодвигателей или пневмо-жидкостных насосов хоть ⌠в чистом поле■. Жидкофазные и твердотопливные реакторы перспективны в технологиях ⌠огневого■ бурения, в подземном строительстве, в импульсных и оборонных технологиях.
Твердотопливный генератор ⌠синтез-газа■
В экспериментах было обнаружено полное выгорание горячельющихся каменноугольных зарядов, содержащих 3-4-кратный избыток дисперсного угля сверх стехиометрии с АС. Каменный уголь (СН) полностью ⌠газифицируется■ уже во фронте первичных реакций с плавом АС, а продукты его ⌠газификации■ (СО, Н2О, СН4, N2, СО2, Н2, NH3 и пр.) догорают на воздухе длинным ярким факелом пламени. Газификация нитрато-угольного топлива с избытком горючего-угля происходит в целом по реакциям ⌠водяного газа■ и может быть перспективна для автономного генератора ⌠синтез-газа■ (СО+Н2) с высокими начальными параметрами (Т1, Р1). Горячельющийся ⌠полудымный порох■ с выбросом зольных микрочастиц менее 20мкм √ дешёвое топливо для ⌠атмосферных■ турбо-ДВС с высокими параметрами впрыска ⌠синтез-газа■, или √ сырьё для нужд органического синтеза в простейших производствах метанола, формальдегида, аминопродуктов на селективных катализаторах √ под давлением синтез-газа ⌠из угля и селитры■.
Наконец, возможны гибридные и комбинированные схемы реакторов, занимающие ⌠промежуточное■ положение между жидкофазными и твердотопливными циклами сгорания. Перспективны также регулируемые схемы с отдельным хранением чистого окислителя (растворонаполненной АС) и чистого горючего √ каменноугольных блоков или некоторых органических отходов. Окислитель может подаваться в бак с горючим в виде раствора или ⌠парогаза■ собственного термолиза АС: NH4NO3 = N2O + 2H2O (200-250ºС).
Концепция унитарных топлив в гражданских технологиях
В основе природного равновесия и функционирования биосферы Земли лежат три природных цикла: круговорот углерода, круговорот азота, круговорот воды. До сих пор практическая и хозяйственная деятельность человека основана на добыче и сжигании накопленных в Земной коре углеродсодержащих полезных ископаемых органического происхождения: каменного угля, нефти, горючих газов, а также древесины. При их сжигании расходуется кислород атмосферы, необратимо истощаются запасы ценнейшего углеводородного и природного сырья, атмосфера загрязняется токсичными углеродистыми продуктами и ⌠парниковым■ углекислым газом (СО2). К началу 21-го века уже нарушено природное равновесие геоклиматической машины планеты и всё человечество поставлено на грань глобальной экологической катастрофы.
Основным источником потребления нефти и загрязнения окружающей среды является автомобильный транспорт (~80%). Отметим, что все пацифистские воззвания ⌠за экологию■, отчаянные усилия учёных-глобалистов и духовных лидеров до сих пор малоэффективны. В то же время существует возможность резкого снижения экологической нагрузки на биосферу с использованием безуглеродных азотсодержащих возобновляемых источников энергии, а также промышленных, ⌠альтернативных■ и естественных технологий её преобразования и аккумулирования, ⌠вписанных■ в естественные циклы планетарного кругооборота азота и воды.
В качестве ⌠альтернативного топлива■ для газорасширительных машин предлагаются водонитратные композиции типа ОКИСЛИТЕЛЬ+ГОРЮЧЕЕ+РАСТВОРИТЕЛЬ, с молекулярной гомогенизацией сорастворимых реагирующих компонентов. Контролируемые реакции экзотермического газораспада возможны в фазах твёрдых, жидких или газообразных растворов. Для наиболее дешёвого и безопасного окислителя нитрата аммония NH4NO3 показатели уд.энергоотдачи и газообразования топливных композиций приближаются к параметрам бездымных порохов. Наиболее технологичны легкоплавкие композиции нитрата аммония с некоторыми горючими-эвтектиками аминной природы.
Дата публикации: 21 октября 2003
Источник: SciTecLibrary.ru
НАНОТОПЛИВО ГОТОВО К ИСПЫТАНИЯМ
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.