Реферат: Струйные энергетические технологии

С учётом энергозатрат и потерь (2.3), энергия для использования потребителями

E_us = E_tm – E_exp. (2.4)

Если принять E_tm равной 100%, то, при m равном 20 и w_tm равном 1, E_us = 100% – (5% + 1% + 15%+ 0.1%) = 78.9%, а E_exp равна 21.1% E_tm . Если основные параметры процесса и/или их соотношения отклоняются от оптимальных величин, то значения m и w_tm уменьшаются. Для компенсации технологических энергозатрат и потерь (2.3) в процессах преобразования, достаточно увеличить кинетическую энергию в результате процесса присоединения дополнительных масс на 44%, т.е. для самоподдержания этого процесса E_tm должна быть больше E_aj лишь в 1.44 раза. Полученная сверх этого энергия может быть использована внешними потребителями. Например, при m равном 1 удельный вес технологических затрат и потерь, за исключением E_te , значительно увеличивается: E_ace до 50%, E_ce до 10%, E_oe до 1%, а E_us = 100% – (50% + 10% + 15% + 1%) = 24% E_tm . Это значит, что даже при такой малой величине m, равной 1 (достижимой при не самых оптимальных параметрах этого процесса присоединения), невысоких КПД турбины (0.85) и компрессора (0.8), для сжатия рабочего тела можно использовать энергию, полученную в предыдущих циклах, оставляя потребителям 24% располагаемой E_tm .

Результаты экспериментов также подтверждают возможность преобразований энергии атмосферы при сжатии рабочего тела за счёт мощности, полученной при её преобразовании в предыдущих периодах. Если экстраполировать увеличение кинетической энергии (в 2.4 раза), полученное экспериментально в процессе последовательного присоединения с активной струёй из продуктов сгорания [3], на аналогичный процесс с использованием сжатого воздуха для образования этой струи, то даже без учёта реального снижения потерь на смешение и трение объединяемых масс, повышающего эффективность этого процесса, E_us = 100% – (41.7%+8.3%+15%+ 0.8%) = 34.2% E_tm .

Согласно второму началу термодинамики не вся энергия одного неисчерпаемого источника преобразуется в работу – часть превращается в теплоту. А при механическом сжатии рабочего тела - в высокопотенциальную теплоту, температуру которой можно регулировать в зависимости от степени сжатия и охлаждения рабочего тела перед расширением, для полезного использования, например, в системах отопления. При расширении сжатого и охлаждённого, например, до атмосферной температуры рабочего тела значения C_aj и C_tm будут находиться в диапазоне величин коэффициента скорости _» до 2.45, вполне достаточном для получения окружных скоростей, обеспечивающих высокий КПД турбомашин.

Температура высокопотенциального рабочего тела, а также низкопотенциального - воздуха в процессах преобразований энергии понижается. Управляя количеством атмосферного и холодного отработавшего воздуха, возвращаемого в эжекторные насадки в качестве присоединяемых масс следующих периодов, можно получать температуру воздушной массы, необходимую, например, в системах кондиционирования. Если отработавший в одном устройстве присоединения или эжекторном сопловом аппарате воздух направлять в качестве присоединяемых масс в другое или следующий сопловой аппарат и т.д., то его можно охлаждать до сверхнизких температур, используемых в криогенной технике.

Процесс присоединения дополнительных масс воздуха в рассмотренном бестопливном способе преобразования энергии атмосферы также состоит из повторяющейся с заданной периодичностью пары последовательно связанных термодинамических циклов со своими источниками энергии и рабочими телами: из обратного цикла Карно (цикла воздушного теплового насоса – холодильной машины) и цикла - охлаждения атмосферного воздуха при его расширении и ускорении. Часть мощности, полученной в результате преобразований энергии атмосферы в предыдущих периодах, используется для сжатия атмосферного воздуха в обратном цикле Карно. За счёт работы расширения сжатого воздуха (высокопотенциального рабочего тела) создаются условия для начала второго цикла с использованием энергии низкопотенциального рабочего тела (также как в процессе с продуктами сгорания).

Таким образом, за счёт энергии атмосферы осуществляется привод воздушного теплового насоса, в результате работы которого создаются условия для преобразования в эжекторном насадке низкопотенциальной энергии внешней газовой массы, находящейся вне насадка в равновесном состоянии, в доступную для использования кинетическую энергию, высокопотенциальную теплоту и «холод» расчётной температуры. Данный бестопливный способ преобразования энергии атмосферы отличается от способа её преобразования в традиционных ветродвигателях управляемостью процесса создания воздушной струи в эжекторном насадке и высокой плотностью энергии на единицу рабочей площади. Устройства для осуществления этого способа - атмосферные бестопливные струйные двигатели.

С учётом результатов научных и экспериментальных исследований процесса последовательного присоединения эксперимент по получению мощности на валу атмосферного бестопливного струйного двигателя с открытым термодинамическим циклом можно провести без затрат на дополнительные научные исследования, разработку и производство оригинальной конструкции. Для создания стендового образца такого двигателя можно использовать уже готовые устройства, например, в качестве силового элемента - турбинный модуль маломощного турбовального ГТД, а для сжатия воздуха, образования активной струи - компрессор любого типа, ресивер с пневмоклапаном и реактивным соплом. Соотношения геометрических параметров эжекторного устройства и необходимые параметры процесса присоединения для получения расчётного количества и скорости объединенной воздушной массы, воздействующей на лопатки турбины, известны, а конструкция эжекторного насадка – единственного элемента, который необходимо изготовить, - предельно проста. Кроме того, возможность изменения параметров модульной конструкции позволяет использовать её для оптимизации параметров процесса последовательного присоединении с воздушной активной струёй и при разработке необходимых (в зависимости от сферы применения) оригинальных конструкций бестопливных струйных ГТД.

Эффективность атмосферных бестопливных струйных двигателей, по сравнению с известными ветровыми, солнечными и геотермальными преобразователями даровой и экологически чистой энергии, не зависит от географических, временных и погодных условий, а удельная мощность значительно выше и сопоставима с удельной мощностью тепловых двигателей традиционных схем. Отсутствие жаростойких материалов, и систем, связанных с использованием топлива, упрощает конструкцию, технологию, снижает себестоимость, повышает надёжность и, наряду с возможностью одновременной выработки трёх видов энергии, расширяет сферу применения бестопливных двигателей. Зависит эффективность, в основном, от значений m и w_tm , технологических потерь, а также видов используемой потребителями энергии и сферы применения (в энергетических стационарных и мобильных системах, для привода различных устройств и типов движителей с одновременным получением высокопотенциальной теплоты и/или «холода»). Её можно оценивать величиной удельной мощности или отношением E_us /E_tm , числитель которого увеличивается на величину энергии, используемой дополнительно сверх получаемой мощности.

Из приведенного выше описания бестопливного способа преобразования энергии и принципа конструкции двигателя для его реализации видно, что, наряду с простотой, они достаточно эффективны. Однако за счёт некоторого усложнения конструкции можно дополнительно повысить эффективность и расширить сферы применения атмосферных бестопливных струйных двигателей (см. рисунок).

Принципиальная схема возможных вариантов бестопливного преобразования низкопотенциальной энергии в струйных двигателях.

В рассматриваемых вариантах эжекторный сопловой аппарат может состоять из сужающегося реактивного сопла 1 (или струйного устройства любого другого принципа действия, обеспечивающего расчётные параметры импульсов активной струи) и эжекторного насадка - устройства присоединения 2. Для уменьшения продольных размеров струйного двигателя проточная часть устройства присоединения и турбин 3 и 4, закреплённых на концах силового вала 5, находится внутри этого полого вала, а снаружи вала расположены роторы компрессоров 6,7. Выход ступеней компрессора 30, не закреплённого на валу 5, связан через обратный клапан 20 с пневмоаккумулятором 18 рабочего тела. Сжатый воздух в него подаётся через клапаны 19 или 20. Клапан 21 обеспечивает расчетную периодичность и длительность истечения сжатого воздуха из реактивного сопла 1. Вслед за воздушной массой импульса в устройстве 2 образуется разрежение. Под действием атмосферного давления присоединяемый воздух через клапаны 26,27, лопатки 22 турбины 29, лопатки 23 турбины 3, направляющий аппарат 24 ускоряется вслед за воздушной массой импульса. От геометрических параметров сопла 1, устройства 2, их соотношения и термодинамических параметров реактивной массы импульсов зависит степень получаемого в устройстве 2 разрежения, и период времени, в течение которого оно сохраняется. А от этого зависит количество присоединяемого воздуха, его скорость и суммарный напор, создающий момент на валу 5 за счёт воздействия втекающей воздушной массы на лопатки 23 турбины 3 и объединённой реактивной массы на лопатки 25 турбины 4, закреплённой на другом конце этого вала. Часть полученной суммарной мощности используется для привода компрессоров 6,7, а часть внешними потребителями.

В одном из вариантов (А) отработавшая объединённая масса направляется в центробежный диффузор 8, в котором её оставшаяся кинетическая энергия преобразуется в потенциальную перед выбросом во внешнюю среду по каналу а через клапан 9 для повышения эффективности процесса присоединения, и/или повторного использования через канал в в качестве присоединяемых масс.

Сжимая отработавшую массу в компрессоре 7 за счёт части E_us , можно повысить эффективность процесса присоединения и стравливать её во внешнюю среду с повышенным давлением через клапан 9 и/или повторно использовать, подавая через клапан 10 по каналам в и с. При этом, за счёт разрежения, получаемого перед входом в компрессор 7, увеличивается разность потенциалов давлений при образовании импульсов, а в результате - скорость активной струи и кинетическая энергия объединённой реактивной массы с понижением температуры и увеличением момента на валу 5.

Получать разрежение для увеличения разности потенциалов давлений можно без дополнительных затрат энергии. Для этого струи, истекающие из лопаток 25 турбины 4 после создания момента, через направляющий аппарат 11 закручиваются по спирали (Б). В вихревой камере 12, в которую происходит истечение, за счёт оставшейся кинетической энергии создается вихревой эффект, образующий в центральной части разрежение, увеличивающее разность потенциалов давлений при расширении рабочего тела. Одновременно в периферийной части созданного вихря повышается давление объединённой массы, которая через направляющий аппарат 13 воздействует на лопатки 14 турбины 4, а затем (сразу или после сжатия в компрессоре 6) через клапан 16 выбрасывается и/или через клапан 17 направляется для повторного использования. В этом случае можно дополнительно увеличивать разность потенциалов давлений за счёт использования части E_us , соединив центр объёма 12 через направляющий аппарат 15 со входом компрессора 6.

При сжатии низкотемпературной отработавшей массы уменьшаются затраты энергии на работу сжатия, по сравнению со сжатием воздуха с атмосферной температурой, поэтому двигатели с открытым циклом, наряду с получением мощности, можно использовать в качестве эффективных генераторов высокопотенциального рабочего тела для более мощных бестопливных систем, создания низкотемпературных реактивных струй (в соплах 28) и тяги. Эффективность сжатия можно повысить также, используя биротативные компрессоры 7 и 30 с вращающимися в противоположные стороны рабочими колёсами без неподвижных направляющих аппаратов.

Третий способ. Процесс последовательного присоединения можно использовать для получения мощности, высокопотенциальной теплоты и «холода» также и вне атмосферных условий, преобразуя тепловую энергию внешней среды в замкнутом термодинамическом цикле [5].

Представим, что атмосферный бестопливный струйный двигатель помещён в изолированный от внешней среды объём, заполненный газом - воздухом или гелием. При работе двигателя, за счёт охлаждения отработавшей массы, в нём понизятся температура и давление. Параметры процесса присоединения изменятся настолько, что в какой-то момент E_tm станет недостаточно для создания расчётной мощности компрессора, сжимающего рабочее тело для образования активной струи. В каждом цикле будет уменьшаться степень сжатия и C_aj . Процесс присоединения постепенно «затухнет» и двигатель, «заморозившись», остановится.

Этого не произойдёт, если изолированный объём используется в качестве низкотемпературного теплоприёмника для истечения отработавшей газовой массы и соединён с теплообменным устройством, а выход этого устройства соединён с входами устройства присоединения и компрессора, образуя замкнутый контур. Под дейст­вием неуравновешенной силы давления газов, возникающей при создании разрежения за газовой массой импульсов активной струи, часть отработавшей газовой массы из этого объёма направляется в теплообменное устройство. В нём, получая тепло и понижая температуру внешней среды, она нагревается до температуры, необходимой для выполнения функции присоединяемых масс следующих периодов. Другая часть газовой массы через теплообменное устройство (или минуя его) направляется в компрессор для сжатия и дальнейшего использования в качестве высокопотенциального рабочего тела.

В результате нагрева отработавшей газовой массы в теплообменном устройстве процесс последовательного присоединения в струйных двигателях с замкнутым циклом продолжается сколь угодно долго и независимо от давления внешней среды, которая при этом выполняет функции нагревателя - источника теплоты, преобразуемой в работу.

Отличие бестопливных двигателей с замкнутым от двигателей с разомкнутым циклом заключается в организации теплообмена с внешней средой и возможности варьировать давление и температуру в теплоприёмнике. Причём эффективность этих двигателей в значительной степени зависит от разности температур между источником теплоты внешней среды и теплоприёмником перед нагревом отработавшей газовой массы, используемой в следующих периодах. Варьируя параметры процесса присоединения, а также давление и температуру в теплоприёмнике и перед повторным использованием отработавшей массы, можно управлять мощностью двигателя и расширять диапазон температуры используемых источников теплоты внешней среды до отрицательных температур. На основе струйных двигателей с замкнутым циклом можно создавать воздухонезависимые бестопливные энергетические системы, способные работать за счёт низкопотенциальной теплоты в экстремальных условиях внешней среды.

Четвёртый способ. В двух предыдущих бестопливных способах преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды рабочее тело для получения активной струи сжимали в многоступенчатом механическом компрессоре.

Рассмотрим варианты использования рабочего тела без механического сжатия – при его ускорении в результате нагрева за счёт теплоты различных источников энергии. Например, низкопотенциальным теплом внешней среды в замкнутом объёме пневмоаккумулятора. В этом случае необходимое давление в пневмоаккумуляторе может быть получено за счёт его заполнения отработавшей в предыдущих периодах низкотемпературной массой, а расчётная разность температур перед нагревом сменяющейся массой внешнего теплоносителя достигается за счёт многократного использования отработавшей массы в процессе присоединения. Нагревать отработавшую массу нужно, по меньшей мере, в двух пневмоаккумуляторах, которые должны поочередно соединяться со струйным устройством после нагрева и отсоединяться для удаления остатков нагретого рабочего тела (при снижении давления ниже расчётного уровня) и очередного заполнения отработавшей массой. Причём в двигателях с открытым циклом при расширении удаляемых остатков можно выполнять полезную работу, например, привод устройств, ускоряющих нагнетание низкотемпературной массы в другой пневмоаккумулятор, а в двигателях с замкнутым циклом – выполнять работу и использовать в следующих периодах процесса присоединения в качестве присоединяемых масс. Для данного варианта нагрева необходимы большой объём пневмоаккумуляторов и площадь рабочей поверхности теплообменного устройства. Поэтому он может применяться в тех энергетических установках, в которых объём и масса не играют существенной роли и не может - в двигателях большинства транспортных средств.

Снизить массу бескомпрессорных двигателей можно, нагревая рабочее тело с использованием электроэнергии, генерируемой в предыдущих периодах за счёт части получаемой мощности, так как при нагреве низкотемпературного рабочего тела в пневмоаккумуляторе высокопотенциальной теплотой не нужно применять теплообменное устройство. При этом уменьшается время нагрева; масса электрогенератора меньше, конструкция проще и технологичней, а производство и эксплуатация по сравнению с компрессором менее затратны; потери энергии при получении расчётного уровня давления меньше, чем при механическом сжатии рабочего тела. Такой вариант эффективнее варианта нагрева рабочего за счёт низкопотенциальной теплоты и позволяет получить удельную мощность, даже большую чем при механическом сжатии газов.

В другом варианте - при использовании электрореактивного устройства для образования активной струи - низкотемпературную массу в пневмоаккумуляторе нужно нагревать лишь до минимального уровня давления или использовать иной способ, обеспечивающий поступление рабочего тела в это устройство, для последующего ускорения за счёт электроэнергии, генерируемой в предыдущих периодах. Для ускорения рабочего тела в импульсном электрореактивном устройстве можно применять различные методы (термоэлектрический, электромагнитный и т. д.), а при использовании этого устройства в процессе последовательного присоединения увеличивается скорость активной струи, повышается коэффициент m и удельная мощность бестопливного бескомпрессорного струйного двигателя.

Если за счёт мощности, полученной в результате преобразований низкопотенциальной энергии внешней среды генерировать электроэнергию для ускорения активной струи и одновременно для внешнего использования, то получается универсальный источник электроэнергии с не ограниченной сферой применения. Основное преимущество способа – простота конструкции, надёжность и высокая удельная мощность двигателей для его реализации - качества необходимые большинству двигателей транспортных средств, а особенно авиационным двигателям. Электрореактивному устройству для образования активной струи в процессе присоединения необходима лишь одна часть от полученной электроэнергии, а оставшуюся можно использовать, например, в электрореактивном движителе этого двигателя для создания реактивной тяги. Причём можно получать гиперзвуковую скорость истечения реактивной массы, которая ускоряется за счёт использования электроэнергии, получаемой также в результате бестопливных и бескомпрессорных преобразований низкопотенциальной энергии внешней среды. А при истечении реактивной струи из импульсного электрореактивного движителя в атмосфере её можно использовать в качестве активной в эжекторном устройстве этог