Тепловые машины-ликбез

Версия 18:37, 7 ноября 2023

Тепловые машины----автор Книжников ВВ

Вся теплофизика строится на законах термодинамики газов и сопромате деталей из конструкционных металлических сплавов при высокой рабочей температуре!

Все виды тепловых машин ----это моторы работающие на источнике тепла как аккумуляторе потенциальной энергии методом окислении горючего!Например сжигание паров бензина в камере сгорания поршневого Двигателя Внутреннего Сгорания (ДВС)!

 Основной критерий эффективности это термический КПД рабочего тела горячего газа под давлением---идеальный КПДдвс=100%(Тгорения-Твыхлопа)/Тгорения,

где температура в Кельвинах зависит в первую очередь от геометрической степени сжатия топливно воздушной смеси( ТВС)-компрессии-----например у дизелей доходит до 20 крат и давление при адиабатическом процессе до 40 атмосфер-бар----цикл Карно! Октановое число топлива делённое на 8 и есть та максимальная геом. степень сжатия ТВС когда ещё не наступила детонация-взрыв с разрушением шатуна! примеры с ориентировочными данными

тип топлива---октан.число---степень сжатия---давление,бар---Тгорения,К----теплотворность,Мдж/кг

бензин ------------А-72-----------------9---------------------18-----------------1800----------43

бензин ------------А-100---------------12.5------------------25------------------2100----------44

метанол------------А-111----------------14--------------------28-----------------1300----------30

пропан-------------А-108----------------13--------------------26-----------------2000----------45

метан--------------А-110----------------14--------------------26-----------------2000----------50

эфир---------------А-110----------------14--------------------28-----------------1200----------40

керосин----------------------------------20-------------------40-----------------2500----------43

мазут------------------------------------24-------------------48-----------------2000----------40

водород-----------------------------------------------------------------------------3000---------120!!!

уголь-бурый,каменный-антрацит-----------------------------------------1000-1500--------14-28

дрова*,опилки,бумага,картон-----------------------------------------------1000----------14

растительное масло*---------------------------------------------------------2000---------40

этанол-питьевой спирт*------------------------------------------------------1200---------28

Дрова, масло и спирт относятся к биотопливу растительного происхождения например методом выжимки маслосодержащих семечек или перегонки забродившего травяного силоса ---с одной тонны сухой травы можно получить 100л чистого спирта в промышленном масштабе!

1)Паровые машины КПДмах=5%----водяной котел высокого давления с внешним подогревом от спиртовой,газовой, керосиновой, дровяной или угольной горелки! Перегретый пар высокого давления в 5 бар подаётся на лопатки турбины или поршневую камеру мотора, которые крутят вал с механической мощностью электро-генератора на ТЭЦ или колеса транспорта, гребной винт у корабля!

Все Атомоходы это разновидность паровых машин , где вода разогревается от тепловой реакции медленного распада ядер радио-активных металлов типа уран 235! вода бегает по замкнутому первичному контуру охлаждения и превращается в перегретый пар высокого давления до 10 бар и крутит турбину с полным КПДмах=10%!!!

2)Поршневые ДВС для транспорта делятся на моторы с искровым, калинным и компрессионным зажиганием (дизель) со скорость ламинарного горения ТВС в камере сгорания всего 30м/с!!!

тип ПДВС ---------раб.объём цил,см3----- КПДмах,%--------горючее----------топливная система-------макс. обороты/мин

модельные -------------до 10--------------10------------спирт,эфир------- -жиклер с заслонкой--------до 30 000

модельные--------------до 50-------------15----------бензин----------атмосферный карбюратор-----------до 12000

двухтактные-----------до 200-------------20----------бензин----------атмосферный карбюратор-----------до 8000

трёхтактные Ванкеля---до 500---------- 25----------метанол с нитро-------- турбонаддув---------------до 20 000

четырёхтактные-------до 1000---------------30------------газ,бензин --------------инжектор-----------до 6000

тепловозные дизеля ----до 1м3--------------35------------солярка-----------------инжектор------------до 600

судовые дизеля--------до 10м3----------------40-----------мазут,солярка--------------инжектор-----------до 60

Модельные двигатели для БПЛА обычно двухтактные одноцилиндровые с рубашкой воздушного охлаждения из ребер с переднем расположением наклоненного диффузора работающим в режиме динамического воздушного напора, система зажигания на калинных свечах для метанольного топлива спирт 80%--синтетическое масло 20% и методом компрессии для эфирных топлив эфир 33%-----керосин 33%-----касторка 33% по объёму, где температура выхлопной системы доходит до 200грС!!!

Из за малых размеров и проблемы больших тепловых потерь по закону КУБ-КВАДРАТ имеют полный КПДмах всего 10% и огромную прожорливость по расходу топлива!!

Имеют повышенную мех. вибрацию из-за одноцилиндр. несбалансированного конструктива поршневой группы и резонансовой  выхлопной системы!!!

Бензиновые двухтактные ДВС обычно двухцилиндровые оппозитного расположения с встроенным вакуумным топливным насосом мембранного типа и полноценным серво-управляемым карбюратором для топливной смеси бензина А92 и минерального масла 1/30 Бывают воздушного охлаждения для авиа и сухопутных дронов 110грС и водяного для лодочных моторов 90грС, где температура выхлопной системы доходит до 300грС!!!

Все двухтактники хорошо работают только при наличии настроенной в резонанс выхлопной системы, но при этом слишком шумные!!!

Трёхтактные Ванкеля имеют оригинальную конструкцию и поэтому самые мощные среди поршневых при малом весе и размерах с низкой вибрацией используются на гоночных автомобилях и мотоциклах----минус это низкий ресурс! температура выхлопной системы доходит до 500грС!!! Горючее это нитрометан 20%---метанол 75%---5% синтетическое масло! Турбо наддув повышает литровую мощность до 1500лс на литр!

Многоцилиндровые четырёхтактники самые экономичные и ресурсные ДВС ----топливная система и масляная разделены,обычно водяного охлаждения ! минимальная вибрация и шум среди поршневых! Современные глушители делают звук от выхлопной системы почти не слышамым!!!

3)Все так называемые газотурбинные реактивные двигатели ГТРД с КПДмах=30% работают на очищенном керосине и КПД напрямую зависит от степени сжатия в выходном контуре воздушного компрессора доходящего до 20-22 атмосфер у многоступенчатого осевых в большой авиации и всего 4 бар у центробежной крыльчатки авиамодельной размерности с КПДмах=10%, где температура выхлопной системы доходит до 700грС!!! нет вибраций вообще!!!

4)Пульсирующие реактивные двигатели (ПРД) с КПДмах=15% работаю на низко октановом бензине по принципу детонационного горения (взрыв ТВС) со скоростью до 2км/с и огромным противным шумом до 180 дб с частотой до 1000 гц!!! начальная компрессия происходит от динамического наддува скоростного потока и схлопывание обратной ударной волны от настроенной в резонанс выхлопной трубы,где температура выхлопной системы доходит до 900грС!!!

5)Все химические жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) работают на органическом топливе типа керосин, метан или водород и окислители типа чистый кислород -----топливо подаётся в камеру сгорания под давлением до 350 атмосфер от компрессора омывая и охлаждая стенки сопла Лаваля со сверх звуковым истечением !самая высокая скорость истечения газов на срезе сопла у пары водород плюс кислород ----- это 4.2км/с при температуре в 4000К!

6)Твердотопливные ракетные двигатели (ТТРД) их ещё по старинке называют пороховыми ускорителями работают на сухих смесях окислителя типа аммиачная селитра и восстановителях типа алюминиевая или магниевая пудра, а также на синтетических органических порохах типа пироксилиновый и другие! Скорость истечения газов (плазма) доходит до (2--3)км/с при температуре 3000К! обычно используют высоко температурную керамику для конструкции сопла!

В ракетомоделизме и праздничной пиротехнике обычно используют спрессованный высушенный "черный дымный порох" состоящий из смеси пудры смоченной водой до состояния сметаны---типичный состав это 70% натриевая или 75% калиевая селитры типа удобрение, 15% уголь для шашлыков,(10--15)% природная желтая сера!

"Карамельное ракетное топливо" это высушенная смесь водяного раствора 65% калиевой селитры и 35% сахара, можно добавить 5% алюминиевой пудры для красок!

Начальное типичное соотношение феирверовачного пороха по массе какой-либо селитры (2/3--3/4) и твердого горючего (1/3--1/4) и пару-тройку процентов различного металла для расцветки салюта!

7)Электроплазменные ракетные двигатели, где рабочее тело в виде положительно-заряженных ионов лёгких инертных газов разгоняют в мощном магнитном поле--- тяга всего несколько грамм силы, но скорость истечения свыше 10 км/с при температуре свыше 10 000К ----работают годами от космических солнечных батарей с полным КПД=50%!

Интересная закономерность у всех реактивных систем----температура рабочего тела всегда эквивалентна скорости потока на выходе в м/с!!!