СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ МАШИН Российский патент 2004 года по МПК F02B51/00 

Изобретение относится к области работы тепловых машин, а именно к получению рабочего тела с использованием дешевых и безопасных энергоносителей, содержащих горючие вещества и окислитель в сорастворимой конденсированной фазе.

Наибольшее распространение в качестве транспортных силовых установок получили существующие воздушно-топливные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в рабочем цикле которых порции органических горючих веществ сгорают в приготовленных зарядах сжатого воздуха (окислителя), с образованием высокотемпературного рабочего тела в виде газообразных продуктов сгорания с последующим совершением полезной работы в поршневом двигателе или на лопатках турбины (Луканин В.Н., Морозов К.А., Хачиян А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания, кн.1. Теория рабочих процессов. -М.: Высшая школа, 1995 г., с.11-15). Известными недостатками существующих воздушно-топливных ДВС являются невысокий тепловой кпд (не более 30-40%), большие потери мощности (до 40-60%) на сжатие и подготовку исходного атмосферного воздуха, значительная токсичность отработавших газов, обусловленная трудностями дозирования и гомогенизации гетерогенных смесей воздуха (окислителя) с жидким горючим, имеющим высокое содержание углерода в молекулах - до 85-90% в углеводородах, до 50-70% в спиртах и эфирах, до 70-80% в сжиженных газах нефтяного происхождения.

В последние десятилетия проводились исследования по использованию водотопливных эмульсий, содержащих до 30-50% воды, в качестве топливных композиций для двигателей внутреннего сгорания (Иванов В.Н. и др. Применение топливоводяных эмульсий в двигателях внутреннего сгорания. Сб. Новые методы сжигания топлива. - М.: Наука, 1965 г., с. 162). Накопленный положительный опыт показывает, что применение штатного углеводородного топлива с добавкой 10-40% воды снижает температуру пламени и повышает полноту сгорания. Однако известный способ введения в рабочий процесс воды не может значительно повысить мощность двигателя, т.к. энерговооруженность воздушно-топливного цикла принципиально ограничена малой плотностью исходного атмосферного воздуха и значительными затратами энергии на высокое сжатие порций воздуха в двигателе перед сгоранием. Кроме того, вода в составе водотопливных композиций является инертным балластом и на ее парообразование затрачивается некоторая часть энерговыделения в рабочем процессе.

Известен способ получения рабочего тела с высокими начальными параметрами для жидкостных ракетных двигателей на жидком или гибридном топливе, способных развивать большую мощность, включающий сжигание в предварительно нагретом до температуры свыше 300° С реакционном сосуде (реакторе) горючих веществ с окислителем, например, в виде конденсированной сорастворимой смеси окислителя с горючими, в т.ч. с твердыми окислительсодержащими веществами (С. Сарнер. Химия ракетных топлив, изд-во "Мир", Москва, 1969 г., с. 23, 134).

Недостатком сухих твердых окислительсодержащих топлив является их пожароопасность и невозможность дозированной подачи в камеру сгорания ДВС, вследствие чего смесевые композиции твердого ракетного топлива сжигаются непосредственно в топливном баке ракетного двигателя (реактор) с температурой в зоне реакций свыше 300° С (до 3000-3500° С) с последующим совершением полезной работы образуемым газообразным рабочим телом при высокоскоростном истечении из сопла ракетного двигателя.

Задачей настоящего изобретения является существенное форсирование развиваемой мощности силовых установок, т.к. при этом резко снижаются или полностью отсутствуют потери мощности на сжатие газов, а концентрация энергии в объеме конденсированных доз растворов на несколько порядков превосходит энерговыделение обычных (низкоплотных) воздушно-топливных зарядов. При малом или полном отсутствии содержания углерода в энергоносителе и сравнительно высоком содержании паров воды снижаются токсичность выхлопа, максимальная температура цикла и температура отработавших газов.

Технический результат достигается следующим образом. В способе получения рабочего тела для тепловых машин, включающем подачу в предварительно нагретый до температуры свыше 300°С реактор конденсированной сорастворимой смеси окислителя с горючими веществами, согласно изобретению используют растворы нитрата аммония с сорастворимыми органическими и неорганическими горючими, причем содержание растворителя в растворе находится в пределах от 5 до 60 мас.% при содержании всех горючих компонентов и пределах от стехиометрического количества до 60 мас.%, с использованием образующейся парогазовой смеси продуктов в качестве рабочего тела в тепловых двигательных установках.

Продукты газораспада исходного водонитратного раствора, обогащенного горючим сверх стехиометрического количества, могут дожигать далее в порциях сжатого воздуха по схеме цикла работы воздушно-топливных двигателей внутреннего сгорания.

Продукты газораспада исходного водонитратного раствора, обогащенного горючим сверх стехиометрического количества, после совершения полезной работы в двигательной установке могут дожигать далее во внешнем атмосферном воздухе с передачей образующейся тепловой энергии рабочему телу перед двигательной установкой.

Совместно с нитратом аммония используют растворимые органические и неорганические горючие в количестве от стехиометрического (5-20%) до 60% по массе, а содержание растворителя (например, воды) находится в пределах от 5 до 60% по массе. Содержание горючих веществ ниже стехиометрического соотношения с окислителем снижает температуру и работоспособность образуемого парогазового рабочего тела и будет способствовать появлению азотнокислотных продуктов NO_x в отработавших газах. Содержание горючих веществ свыше 60% или растворителя свыше 60% по массе ограничено тепловым балансом экзотермических реакций продуктов термораспада нитрата аммония с горючими веществами. Содержание растворителя (например, воды) в количестве менее 5% недостаточно для растворения всех компонентов в рабочем водонитратном растворе при движении в подогреваемой до 100° С топливной магистрали.

В качестве растворимого горючего могут быть использованы вещества - водородоносители, содержащие минимальное количество атомов углерода и большое количество водородных атомов в молекулах: карбамид, аммиак, спирты, уротропин, амины, их смеси, аммонийные соли органических кислот и пр. с добавками и присадками для улучшения технологических, антикоррозионных свойств, катализаторов для регулирования рабочего процесса газораспада в горячем реакторе и т.д. Характеристики стехиометрических смесей некоторых водорастворимых невзрывчатых горючих веществ с нитратом аммония приведены в табл. 1.

В качестве растворителя могут использоваться вода, аммиак, спирты, их смеси, а также дешевые эвтектикообразующие аминопроизводные, например карбамид, образующий низкоплавкую (температура затвердевания 48° С) высокорастворимую в воде и в спиртах эвтектическую смесь с нитратом аммония при содержании карбамида 45-50%. Пары растворителя (воды) в отработавших газах могут частично возвращаться в топливный бак для регулирования концентрации водонитратного топлива в порциях рабочего раствора, накапливаемого при разогреве теплом отработавших газов расходной части топливного бака. Вследствие этого основная масса топлива может храниться в топливном баке в холодном или даже кристаллизованном состоянии, с минимальным содержанием “балластного” растворителя. В случае регулируемого “самовозврата” растворителя (воды) топливный бак можно загружать твердыми кристаллизованными порциями энергоносителя удобной геометрической формы, например в виде шаров, цилиндров или эллипсоидов, содержащих минимальное количество “балластной” воды при любой температуре окружающей среды. При этом первоначальный пуск реактора и двигательной установки осуществляется на порциях готового рабочего раствора, оставшегося в топливной магистрали и в расходной части топливного бака с предыдущего цикла работы.

Из таблицы 1 следует, что калорийность сжигания стехиометрических водонитратных композиций (760-1000 ккал/кг) примерно на порядок меньше теплоты сгорания топлив нефтяного происхождения (~10000 ккал/кг). С другой стороны, концентрация энергии в единице объема и величина газообразования в рабочем процессе для конденсированных водонитратных композиций (растворов) примерно на 2 порядка превышают соответствующие параметры при сгорании зарядов углеводородов (СН₂) в газообразном воздухе (6N₂+1,502) по уравнению: СН₂+6N₂+1,5O₂=СО₂+Н₂O+6N₂+~10000 ккал/кг, т.к. плотность газообразных зарядов, как известно, меньше плотности жидких растворов соответственно на 2-3 порядка или более.

Содержание углерода в стехиометрических водонитратных композициях, сбалансированных по кислороду, при использовании малоуглеродных горючих типа карбамида CO(NH₂)₂, метанола СН₃ОН, этанола С₂Н₅ОН и т.п. составляет всего 4-5% по массе, что примерно в 20 раз меньше массового содержания углерода в топливах нефтяного происхождения. Содержание углерода при использовании безуглеродных горючих, например аммиака NН₃, равно 0% в исходном топливе-растворе, поэтому образование токсичных соединений углерода (окись углерода СО, циклические канцерогены, бензопирены и пр.) в отработавших газах - теоретически невозможно. В случае использования безуглеродных горючих, например дешевого аммиака NН₃ (очень хорошо совместимого с нитратом аммония и с его водными растворами), элементный состав водонитратных композиций типа NH₄NO₃+NH₃ (+H₂O) включает лишь атомы водорода (Н), азота (N) и кислорода (О). В этом случае единственным горючим являются атомы водорода, что формально позволяет считать процесс сжигания безуглеродных водонитратных композиций разновидностью водородной энергетики. При полном завершении экзотермических реакций газораспада безуглеродных стехиометрических композиций, конечные продукты могут состоять из водяного пара Н₂О (60-70%) и молекулярного азота N₂ (30-40%). Выделение азотнокислотных продуктов NO_x в условиях термораспада растворов будет эффективно подавляться введением в сбалансированный по кислороду раствор небольшого избытка аммиака NН₃, реагирующего с азотнокислотными продуктами NO_x с образованием воды Н₂О и молекулярного азота N₂ при температуре выше 250° С, или даже при комнатной температуре в присутствии паров воды. Самопроизвольность данной известной реакции объяснима электронным строением молекулярных орбиталей NН₃ и NO_x, содержащих неспаренные или неподеленные электроны, а также разнополярной степенью окисления атомов азота в этих соединениях. В случае газораспада водонитратных композиций с простейшим молекулярным составом H,N,O, за исключением выделения Н₂, О₂, NH₃ и NO_x как примесей к основным продуктам (вода Н₂О и азот N₂), других побочных продуктов в диапазоне температур непрерывного сгорания безуглеродных композиций в горячем реакторе образоваться не может.

Полная идеальная работа адиабатного расширения продуктов газораспада унитарных топлив аналогична работе “порохового” газораспада или взрыва конденсированных взрывчатых веществ и может быть вычислена по известным формулам работы адиабатического расширения продуктов взрыва (К.К. Андреев, А.Ф. Беляев. Теория взрывчатых веществ. Издательство “Оборонгиз”, Москва, 1960 г., с.449):

A=Q{1-(P₂/P₁)^k-1)/k}=Q{1-(V₁/V₂)^k-1}=Q{1-(T₂/T₁)},

где P₁,T₁,V₁ и P₂,T₂,V₂ - начальные и конечные значения давления, температуры и объема газов до (в реакторе) и после совершения полезной работы в двигательной установке; Q - теплота газораспада водонитратных композиций; к - показатель политропы (для водонитратных растворов к=1,3).

Из формулы работы адиабатического расширения газов следует, что чем выше начальные давление P₁ и температура T₁ в реакторе и чем выше степень полезного расширения в двигателе с увеличением объема рабочего тела в V₂/V₁ раз, тем выше термодинамический КПД рабочего процесса и работоотдача единицы массы унитарного топлива. Расчет термодинамической работы сил газообразования при различной степени полезного расширения продуктов V₂/V₁ в рабочем процессе для стехиометрического водонитратного раствора: нитрат аммония (80 г)+карбамид (20 г)+вода (6 г) с калорийностью экзотермического газораспада в реакторе 755 ккал/кг приведен в табл. 2.

Полная идеальная работа сил газораспада водонитратных композиций в условиях атмосферы Земли принципиально ограничена температурой конденсации паров воды (Т₂=100° С), что при расширении газов из начальной плотности раствора от 1,4-1,5 г/см³ (плотность молекулярной упаковки) до конечного давления Р₂=1 атм в V₂/V₁=1500-2000 paз соответствует КПД 87%, что согласуется с данными полной идеальной работы газов взрыва аммиачно-селитренных смесей. В отсутствии внешнего (атмосферного) давления, т.е. в вакууме, термодинамический КПД газообразования может приближаться к 100%, т.к. безатмосферное расширение газов ничем не ограничено (V₂/V₁~ ∞_{). Максимальные параметры в предельном случае газораспада в “нулевом” объеме раствора V0, т.е. при полном отсутствии расширения продуктов (из теории взрывчатых веществ для аммиачно-селитренных смесей) Т0~2500-3000° С; Р0~более 10⁴ атм.}

Наиболее проста схема работы тепловой машины на сбалансированном по кислороду водонитратном топливе (унитарном энергоносителе). В предварительно нагретый до температуры не менее 300-400° С реактор (или неохлаждаемый ниже этой температуры), достаточной для “самоподдержания” процесса термораспада, подается подогретая в теплообменнике “самовозвратным” теплом отработавших газов (100-150° С) конденсированная сорастворимая смесь окислителя с горючим - раствор-энергоноситель. При этом развиваемые давление и температура в реакторе (P₁, T₁) определяются концентрацией и рецептурой раствора, а также величиной его подачи в реактор. Увеличение количества воды (растворителя) в рабочем водонитратном растворе приводит к снижению температуры образуемого рабочего тела в реакторе. Форсирование мощности достигается увеличением массовой подачи раствора в реактор. Образуемое в реакторе газообразное рабочее тело расширяется далее в двигательной установке в ~ 1500 раз до конечного давления Р₂=1 атм, с конденсацией водяного пара при Т₂=100° С. Таким образом, от реактора, как источника рабочего тела с высокими начальными параметрами (P₁, T₁), далее могут работать известные двигательные установки, например паровая турбина или цикличный паропоршневой двигатель. При этом термодинамический КПД при полезном расширении рабочего тела в двигателе в V₂/V₁=50-100 раз составит до 74% (табл.2).

Ниже приведен пример осуществления изобретения.

В качестве иллюстрирующего примера рассчитаем рабочие значения P₁,T₁ и P₂,T₂ газораспада стехиометрического раствора нитрата аммония с горючим-карбамидом калорийностью 755 ккал/кг в модели цилиндра с начальным объемом над поршнем V₁=10 cм³ (включая объем реактора газораспада) и конечным объемом расширения газов V₂=1000 см³ (т.е. V₂/V₁=100).

Из уравнения реакции газораспада стехиометрической смеси нитрата аммония с карбамидом (реакция из табл.1) следует, что конденсированная доза раствора массой 1 г (объемом V₀=0,69 см³) при содержании 5%-ной воды-растворителя образует до V₂=1000 см³ газообразного рабочего тела (приведенного к нормальным условиям Земной атмосферы). Пусть расширение в цилиндре происходит до конечного давления P₂=1 атм. Тогда из уравнения адиабаты P₁/Р₂=(V₂/V₁)^k при Р₂=1 кг/см² расчет начального давления P₁ в объеме V₁=10 см³ (при V₂/V₁=100) дает значение 387,3 кг/см².

Конечную температуру Т₂ находят из уравнения идеальной адиабатической работы 1 моля газов, расширяющихся в V₂/V₀ раз, т.е. в 1000 см³/0,69 см³=1450 раз:

А_расш.=с_vT₂{(V₂/V₀)^k-1-1}

где А_расш=17,1 ккал/моль = 17100 кал/моль - теплосодержание 1 моля газов по уравнению реакции газораспада;

С_V=7,40 кал/моль К - средняя теплоемкость газов в диапазоне 1800-400К;

к=1,27 среднее значение показателя адиабаты в диапазоне 1800-400К.

Расчетное значение конечной температуры Т₂ газов при расширении в 1450 раз составляет Т₂=376К, что с учетом Р₂=1 атм приближается к температуре конденсации водяных паров (100° С). Величина начальной температуры в объеме уV₁=10 см³ при газораспаде дозы раствора массой 1 г (при V₂/V₁=100) составит T₁=1455K или ~1180° С.

Таким образом, массовый удельный расход сбалансированного по кислороду водонитратного топлива (при калорийности на порядок меньшей теплоты сгорания углеводородов, но с кпд сил газораспада в 2-2,5 раза большим, чем КПД воздушно-топливного цикла существующих ДВС) увеличивается согласно расчетам в 4-5 раз по сравнению с горючими нефтяного происхождения. Однако стоимость растворов в крупнотоннажном синтезе нитрата аммония не менее чем в 4-5 раз меньше стоимости энергоносителей нефтяного происхождения.

В качестве дополнительного окислителя для дожигания обогащенного горючим водонитратного топлива можно использовать воздух. В этом случае массовая доля горючих веществ в растворе окислителя увеличивается сверх стехиометрического (до 30-60%), а недостающий кислород будет расходоваться из воздуха по обычному циклу работы воздушно-топливного двигателя для дожигания парогазового рабочего тела с избытком горючих продуктов из реактора. Например, увеличение в 2 раза сверх стехиометрического количества доли высококалорийного растворимого горючего типа этанола (9,5%) или уротропина (9%) в растворе (табл.1), при использовании малых зарядов воздуха в качестве дополнительного (“бесплатного”) окислителя - увеличивает энерговыделение более чем в 2 раза. В этом случае затраты на сжатие малого количества воздуха-окислителя соответственно снижаются на порядок, по сравнению с работой по сжатию большого количества воздуха, необходимого для сжигания 100%-ного горючего при полном отсутствии окислителя раствора нитрата аммония. Введение в цикл дополнительного окислителя-воздуха можно реализовать как для двигателей с внутренним сгоранием, например в двигателях с самовоспламенением и дожиганием обогащенных горючим продуктов из реактора в сжатых воздушных зарядах, так и в тепловых машинах с внешним дожиганием горючих продуктов экзотермического газораспада растворов. В последнем случае рабочее тело из реактора после совершения работы в поршневой или турбинной двигательной установке дожигают в атмосферном воздухе с теплопередачей энергии первичным продуктам газораспада из реактора до двигателя, что повышает их работоспособность, аналогично схемы “промежуточного подогрева” рабочего тела-пара в паровых силовых установках, например паровых турбинах.

Свойства нитрата аммония (аммиачной селитры) хорошо изучены в теории взрывчатых веществ: это дешевое, и при обычных условиях, безопасное в обращении азотное удобрение, хорошо растворимое в воде с большим теплопоглощением (до -78 ккал/кг). Растворы и водоналолненные композиции нитрата аммония с невзрывчатыми горючими веществами при обычной температуре в отсутствие газовых включений неспособны к детонации, даже в прочной металлической оболочке большого диаметра. При подогреве теплом отработавших газов “аккумулированное” тепло растворообразования частично компенсирует затраты на парообразование воды-растворителя (дополнительного рабочего тела) при газораспаде в реакторе водонитратных композиций.

Предлагаемый способ обеспечивает возможность получения газообразного рабочего тела с высокими начальными параметрами для тепловых машин, многократно превышающими по достижимой удельной мощности существующие воздушно-топливные двигатели, в частности на транспорте, а по экологичности приближающихся к показателям водородной энергетики. Пожаробезопасность растворонаполненных водонитратных композиций на несколько порядков выше горючих нефтяного происхождения. Сырьевая база для производства водонитратного топлива неограниченна (вода, воздух) в масштабах планеты.

Сбалансированные по кислороду конденсированные фазы на основе дешевого окислителя нитрата аммония с сорастворимыми горючими веществами могут быть использованы в качестве экологически чистого унитарного топлива для приготовления рабочего тела в тепловых машинах, независимых от атмосферного воздуха, например: в условиях шахт и рудников, где остро стоят проблемы вентиляции и загрязнения воздушной среды, в подводных аппаратах с большим радиусом подводного плавания (например, на подводных лодках без электроаккумуляторных накопителей энергии для движения под водой), для высокофорсируемых двигателей летательных аппаратов, а также в качестве “альтернативного топлива” для наземных транспортных средств или энергоносителя для стационарных высокофорсируемых установок.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способу получения рабочего тела для тепловых машин. Изобретение позволяет существенно форсировать развиваемую мощность силовых установок, понижать токсичность выхлопа, максимальную температуру цикла и температуру отработавших газов. Способ получения рабочего тела для тепловых машин включает подачу в предварительно нагретый до температуры свыше 300°С реактор конденсированной сорастворимой смеси окислителя с горючими веществами. При этом используют растворы нитрата аммония с сорастворимыми органическими и неорганическими горючими. Содержание растворителя в растворе находится в пределах от 5 до 60 мас.% при содержании всех горючих компонентов в пределах от стехиометрического количества до 60 мас.%, с использованием образующейся парогазовой смеси продуктов в качестве рабочего тела в тепловых двигательных установках. Продукты газораспада исходного водонитратного раствора, обогащённого горючим сверх стехиометрического количества, дожигают далее в порциях сжатого воздуха по схеме цикла работы воздушно-топливных двигателей внутреннего сгорания. Продукты газораспада исходного водонитратного раствора, обогащённого горючим сверх стехиометрического количества, после совершения полезной работы в двигательной установке дожигают далее во внешнем атмосферном воздухе с передачей образующейся тепловой энергии рабочему телу перед двигательной установкой. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения рабочего тела для тепловых машин, включающий подачу в предварительно нагретый до температуры свыше 300°С реактор конденсированной сорастворимой смеси окислителя с горючими веществами, отличающийся тем, что используют растворы нитрата аммония с сорастворимыми органическими и неорганическими горючими, причем содержание растворителя в растворе находится в пределах 5-60 мас.% при содержании всех горючих компонентов в пределах от стехиометрического количества до 60 мас.%, с использованием образующейся парогазовой смеси продуктов в качестве рабочего тела в тепловых двигательных установках.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукты газораспада исходного водонитратного раствора, обогащённого горючим сверх стехиометрического количества, дожигают далее в порциях сжатого воздуха по схеме цикла работы воздушно-топливных двигателей внутреннего сгорания.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукты газораспада исходного водонитратного раствора, обогащённого горючим сверх стехиометрического количества, после совершения полезной работы в двигательной установке дожигают далее во внешнем атмосферном воздухе с передачей образующейся тепловой энергии рабочему телу перед двигательной установкой.