Тепловые машины-ликбез

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---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	Х	20	40	2500	43
мазут	Х	24	48	2000	40
водород	Х	30	60	3000	120
этанол-питьевой спирт*	100	12	24	1200	28
растительное масло*	Х	20	40	2000	40

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

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

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 ----водяной котел высокого давления с внешним подогревом от спиртовой,газовой, керосиновой, дровяной или угольной горелки! Перегретый пар высокого давления в 550 градусов С 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.[1]

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 100 бар и крутит турбину с полным КПДмах=40%!

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 одно-цилиндр. несбалансированного конструктива поршневой группы.

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 слышаемым.

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 30--40 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![2]

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. [3]

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 горения 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 начальной температуре (2000--3000)К! обычно используют высоко температурную керамику для конструкции сопла.

В ракетомоделизме и праздничной пиротехнике обычно используют низко-энергетический (скорость истечения газов доходит до 1км/с при начальной температуре 1000С) 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.[4]

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

Начальное типичное соотношение феерверовачного 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 с полным КПД=50%----работают годами от космических солнечных батарей !

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