Кріогенний двигун. Кріогенні електричні двигуни. Принцип роботи кріогенної рефрижераторної установки

Двигуни призначені для використання на літальних апаратах з кріогенним паливом, для високошвидкісного наземного транспорту, в системах електроруху морських суден, космічної та загальнопромислової кріогенної техніки для приводу кріогенних насосів, холодних осьових компресорів і т.д.

Як активні матеріали ротора використані високотемпературні надпровідні (ВТСП) керамічні елементи на основі ітрію або вісмуту.

основні переваги

ВТСП двигуни різних типів, що працюють у середовищі рідкого азоту, мають питому вихідну потужність у 3-4 рази вище, ніж звичайні електромотори.

З 2005 р. у МАІ ведуться розробки високодинамічних електродвигунів для приводів кріонасосів водневої енергетики та систем кріозабезпечення силових СП кабелів. Експериментально показано, що високодинамічні двигуни з постійними магнітами та об'ємними ВТСП елементами мають вихідну потужність у 1,3-1,5 рази вище, ніж звичайні синхронні двигуни при тих же режимах охолодження серед рідкого азоту.

У 2007 р. у МАІ спільно з ВАТ «НВО Енергомаш імені ак. В. П. Глушко» та ВАТ «АКБ Якір» створено та успішно випробувано промисловий зразок кріонасоса з ВТСП електроприводом для систем кріозабезпечення силових СП кабелів.

Завершено розробку та випробування двигунів потужністю до 100 кВт. На стадії розробки знаходяться двигуни потужністю до 500 кВт.

Новизна запропонованих рішень захищена сімома патентами на винаходи.

Дослідження виконуються у рамках спільних німецько-російських проектів, що об'єднують МАІ (Москва), ВНДІМ ім. А. А. Бочвара (Москва), ВЕІ (Москва), ІФТТ РАН (пос. Чорноголівка, Московська область), IPHT (Jena, Deutschland), Oswald Elektromeotoren GmbH (Miltenberg, Deutschland), IEMA (Stuttgart, Deutschland), IFW ( Dresden, Deutschland), а також за проектом «Наука заради миру» між МАІ та Оксфордським університетом (Велика Британія).

Основні технічні характеристики

• Електродвигуни гістерезисного типу

• Електродвигуни реактивного типу

Як вже було сказано, для роботи теплового двигуна потрібні шк теплоти і холодильник, який за визначенням повинен мати більшу температуру. Майже завжди температура холодильника дорівнює температурі повітря, тоді як температура джерела тепла камери згоряння, ого реактора або сонячного колектора може варіюватися. Однак від джерела тепла можна використовувати тіло з температурою навколишнього iJ При цьому холодильник повинен буде мати нижчу температуру, яку можна отримати за допомогою кріогенних рідин, які двигуни отримали назву кріогенних. Відомі розробки _ри ментальних двигунів, що працюють за відкритим циклом Ренкіна олзуванням рідкого азоту. На рис. 3.16 представлена ​​схема такої ус - *і.

лкій азот знаходиться в спеціальному кріогенному резервуарі під тиском - З цього резервуару рідина направляється в теплообмінник, через ко - до робочого тіла підводиться деяка кількість теплоти, достатня; про випаровування. При цьому ми отримаємо вже газоподібний азот із тиском pt __ ієратурою Tv

вихідне положення випускний клапан робочого циліндра закритий, а впуск - I ікр'іт. У циліндр надходить |і кмолей азоту, що випарувався. Чинне. ень тиск газу змушує його опускатися. Даний процес відбувається - 'олводом тепла при постійних тиску (р2 = р,) і температурі (Т2= Ту) пір, поки газ не заповнить об'єм циліндра v2.

Ми маємо:

У наступному робочому положенні запускається впускний клапан. Висмокт тиск газу всередині циліндра призведе до продовження руху поршня збільшенню об'єму до тих пір, поки тиск газу не стане рівним р3 а зан каемий їм обсяг - v3. Цей процес може відбуватися як ізотермічно" (Т3 = Ту) з продовженням підведення тепла, так і адіабатично (Т3< Тх) в завн! симости от типа используемого устройства. Рассмотрим более предпочтительны изотермический процесс:

Розглянемо тепер випадок адіабатичного розширення, який у реальних здійснити набагато легше. Якщо під час розширення теплообмін відсутня, то температура газу змінюватиметься за наступним законом:

Тут азоту у = 1,4. Виконана при розширенні робота

с = R/(y - 1) = 20,8 кДжДкмоль К).

І/атм=Ра™""3 = ^ЛТ3"

У цьому випадку корисна робота дорівнюватиме

І s = pRT1-pRT3 + W23 = iiRT(Tl-T3) + iicv(T1-T3) = ii(Tl-T3)R-?-i. (38)

Таким чином, у розглянутому вище прикладі кінцева робота, отримана при розширенні, виявиться рівною 4,2 МДж/кмоль, або 150 кДж/кг. Порівняв цю цифру з 5,7 МДж/кмоль, або 204 кДж/кг, для випадку ізотермічного розширення та з питомою теплотою згоряння бензину 47 ТОВ кДж/кг.

Зрозуміло, що питома енергія кріогенного робочого тіла може бути збільшена -> рахунок підвищення робочого тиску. Однак цей приріст підпорядковується логарифміче-| кому закону. Так, при збільшенні тиску в 10 разів (до 10 МПа) питома енергія зросте до 11,4 МДж/кмоль, або всього в 2 рази. Зауважимо, що тиск 10 МПа відповідає 100 атм. Створення двигуна на таке робочий тиск- складне технічне завдання: двигун виявиться важким і дуже дорогим.

Бензинові двигуни внутрішнього згоряння мають середній ККД на рог не 20%. Тобто корисна робота з розрахунку на 1 кг робочого тіла в бензиновому двигуні дорівнює 8000 кДж/кг і більше, або майже в 40 разів більше, ніж у кріогенному двигуні.

У створених перших експериментальних зразках кріогенних двигунів досягнуті значення питомої роботи становили менше ніж 50 кДж/кг. У демонстраційному автомобілі з таким двигуном на 0,3 милі колії витрачався 1 гало азоту. Тобто поки що не вдалося створити досить практичний кріогенний двигун. Можливо, що після відповідних доробок ефективність так: двигунів можна значно поліпшити1).

Кріогенні двигуни для транспортних засобів не забезпечували поки що великого пробігу. В даний час вартість рідкого азоту дорівнює оке 0,5 дол./кг, або 1,52 дол./галон. З урахуванням досягнутих значень питомої пробігу це означає, що при однаковому пробігу вартість використовуваного д - цього палива буде в десятки разів більше, ніж у бензинових двигунів.

При цьому більша питома витрата «палива» вимагає більшого його запасу. транспортному засобі. А це, у свою чергу, призводить до зменшення корисного вантажу, який може перевозити автомобіль.

Прим. ред. Першим і одним із небагатьох розробників криогенного двигуна є. Вашингтонський університет (США), який створив свій прототип LN2000 на базі поштового автомобіля Grumman-Olson. На автомобіль був встановлений досвідчений 5-циліндровий двигун потужністю 15 л. с., що працює на рідкому азоті за відкритим циклом Ренкіна. Кріогенний двигун забезпечував максимальну швидкість автомобіля 35,4 км/год, а посудина Дюара об'єкт 80 л, який використовувався для зберігання рідкого азоту під тиском 24 бари, забезпечивши запас ходу близько 2 миль (3,2 км). Кріогенний автомобіль був створений у середині 90-х років і ході пошуку енергоустановок для автомобіля екологічної категорії ZEV (з нульовими викидами), альтернативних електроприводу. У Росії також є ентузіасти, які намагаються створити ефективний кріогенний двигун. Однак значних успіхів, що говорять про перспективність і актуальність цього напряму автомобільного транспорту, ні в Росії, ні за кордоном, поки не досягнуто.

Єдиною безперечною перевагою кріогенних двигунів є екологічна чистота. Однак екологічна нешкідливість таких систем є не нульовою, оскільки для отримання рідкого азоту необхідні витрати ргії, що супроводжуються шкідливими викидами. Питання полягає в тому, чи компенсують екологічні переваги серйозні недоліки кріогенних готелей, описані вище.

Доведіть, що теоретична ефективність двигуна Стірлінга без регенерації

де ПCamot - ефективність циклу Карно, що відповідає даному температурному діапазону; v – число ступенів свободи робочого тіла (газу); г – ступінь стиснення.

Який газ краще використовувати як робоче тіло? Поясніть чому?

У прикладах ми приймали ступінь стиснення, що дорівнює 10. Якою була б ефективність двигуна при ступеню стиснення 20? Які недоліки матимуть гсто при вищому ступені стиснення? Чи є сенс збільшувати рівень стиснення?

Намалюйте процеси, характерні для двигуна Стірлінга, у діаграмах та Т, S для прикладу, наведеного в тексті. Який фізичний сенс мають довжину під кривими р, V - і 7~, .У - за видимостей?

Розглянемо два циліндри А і В, усередині яких знаходяться поршні. Ра - е об'єми всередині циліндрів можуть змінюватися незалежно. Максимальний час кожного з цих циліндрів 10 м3, мінімальний об'єм нульовий. Цилінд - гмдравлічно з'єднані між собою так, що газ у будь-якій точці об'ємів циліндрів матиме однаковий тиск. У початковий момент часу обсяг циліндра А дорівнює 10 м3, а циліндра В - нулю. Іншими словами, ень А буде підніматися, а поршень В опускатися. Показник адіабати його тіла у = 1,4.

Жолько газу (кмоль) знаходиться в системі при тиску 0,1 МПа і темпера - “грі 400 К.

3. Тепер уявімо, що поршень А піднявся так, що об'єм в циліндрі зменшився до 1 м3, а об'єм в циліндрі залишився незмінним. Чому рівні температура газу та його тиск за умови адіабатичного процесу? Як енергія витрачена при стисканні?

4. Потім поршні стали рухатися одночасно до тих пір, поки обсяг в ц ліндрі А не став рівним нулю, а в циліндрі - 1 м3. Чому рівні тиск, і температура газу в циліндрі В!

5. Наступним етапом є передача теплоти в циліндр так, що обсяг збільшився до 10 м3. Температура газу під час процесу не змінюється. Скільки теплоти було віддано газу під час цього процес Яку роботу здійснив поршень В? Який тиск газу в кінцевому стані?

6. Тепер поршень починає підніматися, тоді як поршень А опускаєте Відбувається перетікання газу з одного циліндра в інший. Цей процес». теоретично відбувається без витрат енергії. З циліндра А теплота збр сивається в навколишнє середовище, і газ охолоджується до температури 400 У кінцевому положенні, коли циліндр А має максимальний об'єм, ці вважається повністю завершеним. Скільки енергії протягом цього процесу було скинуто в навколишнє середовище?

7. Чому дорівнює ефективність даної машини, т. е. чому дорівнює відношення з "змарною проведеної роботи до теплоті, що надійшла від нагрівача?

8. Як ця ефективність співвідноситься з ефективністю циклу Карно?

9. Намалюйте розглянуті процеси в р, У - і 7 діаграмах.

10. Отримайте формулу для ефективності залежно від ступеня стиснення Намалюйте криву залежності ККД від г у діапазоні 1< г < 100.

11. Якщо отримане значення ефективності виявиться явно завищеним (н реалістичним), наприклад, рівним 10 000, якою буде діячі ефективність? Чи може вона перевищувати ефективність циклу Карно? Поясніть свої висновки.

3.4. Уявімо деяку машину, забезпечену іскровим двигуном: внутрішнього згоряння (цикл Отто). Цей двигун використовує бензин (для пр< стоты допустим, что бензин состоит из чистого пентана), и поэтому его степе сжатия ограничена и равна девяти. Номинальный удельный расход топлива а томобиля 40 миль/галлон.

Оскільки в бензинових двигунах як паливо можна використовувати ъ нол, власник машини вирішив перевести її на цей вид палива. При цьому степ», стиснення "збільшилася до 12. Приймемо, що в будь-якому випадку реальна ефективна автомобіля приблизно дорівнює половині теоретичної ефективності. Чому дорівнює питома витрата палива автомобілем на етанолі?

Найнижча теплота згоряння і щільність речовин, що розглядаються: пентану - 28.16 МДж/л, 0,626 кг/л; етанолу – 21,15 МДж/л, 0,789 кг/л.

Розв'яжіть це завдання двічі, один раз для у = 1,67, а інший для у = 1,4.

3.5. Розглянемо циліндр із безфрикційним поршнем. У початковій стадії експерименту він містить 1 л газу (у = 1,4, с. = 20 кДж/(К кмоль)) при температурах 400 К і тисків 105 Па.

Скільки газу в кмолях знаходиться у циліндрі?

2 Чому в даному випадку дорівнює добуток pV!

ГКсть тепер поршень переміщається із зменшенням обсягу газу до 0,1 л. Стиснення відбувається адіабатично.

Чому дорівнює тиск газу після стиснення? і Чому дорівнювала температура газу?

J Яку роботу було здійснено компресором?

1 міру до газу ізотермічно підіб'ємо 500 Дж теплоти.

і Чому після цього дорівнював обсяг газу?

Чому дорівнювало ловлення?

Оскільки під час підведення теплоти газ розширюється (поршень переміщається), яку роботу він здійснює?

Г чъ тепер газ розширюється адіабатично до тих пір, поки його обсяг не старий - рівним 1 л.

Чому дорівнює тиск газу після адіабатичного розширення? і Чому дорівнює температура газу?

яка робота виконана при адіабатичному розширенні?

Нехай теплота від газу відводиться ізотермічно, поки його тиск не іє рівним 105 Па. При цьому система повертається до стану 1.

2. Чому дорівнює сумарна робота поршня, передана зовнішньому навантаженню? яка загальна кількість теплоти, отриманої системою (відведену теп - .оту тут не враховуємо)?

Чому дорівнює ефективність пристрою?

5 Чому дорівнює відповідна ефективність циклу Карно?

№ Намалюйте процеси і весь цикл у нар. К-діаграмі.

Припустимо, що бензин має октанове число 86. Октанове число етанолу дорівнює 160. Приймемо у = 1,4.

1. Як змінилася теплотворна здатність 1 л суміші порівняно з теплотворною здатністю чистого бензину?

2. Чому дорівнює октанове число всієї суміші?

Приймемо, що максимально допустимий ступінь стиснення палива г = 0,093 Ог, гле Ог - октанове число.

3. Чому дорівнює максимальна міра стиснення бензинового двигуна? Двигун працює на змішаному паливі?

4. Чому дорівнює відносна ефективність двигуна?

5. Чому дорівнює питома витрата палива на одиницю пройденого шляху у випадку, коли використовується чистий бензин і коли застосовується паливна суміш?

3.7. Поршневий двигун відкритого циклу працює на атмосферному повітрі. який надходить у нього в кількості 23 ■ 10 () кмоль при температурі 300 К та тиску 105 Па. Ступінь стиску двигуна дорівнює 5,74.

Стиснення та розширення відбуваються адіабатично. Підведення тепла здійснюється ізобарично, яке відведення - ізотермічно. За цикл до газу підводиться 500 Jb теплоти. Повітря має с. = 20790 Дж/(К - кмоль) і у = 1,4.

Чому дорівнює теоретична ефективність двигуна? Порівняйте її з ефективністю циклу Карно.

Виконайте наступні дії:

розрахуйте початковий об'єм циліндра;

визначте для процесу адіабатичного стиснення кінцеві значення V, р, Т та необхідної роботи:

визначте термодинамічні параметри системи після підведення тепла; обчисліть досконалу у процесі розширення роботу.

3.8. Деякий двигун Стірлінга реалізує під час роботи лише половин; своєї теоретичної ефективності. Двигун працює в діапазоні температур від 1000 до 400 К. Якою буде ефективність пристрою у таких випадках:

1. Якщо використовувати ідеальний регенератор тепла, аргон як робоче тіло, і ступінь стиснення 10:1.

2. За тих же, що й у п. 1, умовах ступінь стиснення дорівнює 20:1.

3. За тих же, що й у п. 1, умовах, але без використання регенератора.

4. За тих же, що й у п. 2, умовах, але без використання регенератора.

3 9. При використанні збагачених сумішей зменшується ефективність двигуна Отто, тоді як при роботі на збідненій суміші можуть виникнути про- теми її запалювання. Вирішенням цього питання можливо застосування двигунів зі стратифікованим горінням.

Розглянемо двигун зі ступенем стискування 9:1. Багата суміш має у = 1,2, бідна суміш у = 1,6. За всіх інших рівних умов чому рівне відношення ■»Фективність використання збідненої суміші до ефективності використання - В. 4ия збагаченої суміші?

3.8. Розглянемо двигун Отто з іскровим запаленням, що має такі характеристики:

максимальний об'єм циліндра VQ = 1 л (КН м3); ступінь стиснення г = 9:1; тиск у кінці впуску р0 = 5104 Па; температура суміші наприкінці впуску 70 = 400 К; середнє значення показника адіабати суміші 14;

питома теплоємність суміші (при постійному обсязі) з = 20 кДжДК – кмоль).

ка потужність передається навантаженню, якщо вал двигуна обертається із частотою > *00 об/хв?

Щомні маси: Н - 1 дальтон: С - 12 дальтон; N – 14 дальтон: 0-16 даль – тон. Присутністю аргону в суміші можна знехтувати.

3.12. Найвища теплота згоряння і-гептану (при 1 атм і 20 ° С) дорівнює 48,11 МДж/кг. Чому дорівнює нижча теплота згоряння?

3.13. 1 моль деякого газу (у = 1,6, cv = 13,86 Дж/(К кмоль) при 300 К займає 1 л. Для кожного кроку, описаного нижче, визначте величини р, Vu Т.

Крок 1 -> 2.

Адіабатичний стиск газу до об'єму 0,1 л. Яка кількість енергії tV12 була витрачена під час стиснення?

Крок 2 -> 3.

Ізотермічна передача робочого тіла 10 кДж тепла. Чому дорівнює зовнішня робота?

Крок 3 -> 4.

Адіабатичне розширення газу 10:1.

Крок 4 -> 1.

Ізотермічне відведення теплоти з поверненням газу до стану 1. Чому дорівнює відведена енергія?

Чому дорівнює загальна ефективність циклу?

Чому дорівнює ефективність відповідного циклу Карно?

Яку потужність матиме двигун, якщо його вал обертається із частотою 5000 об/хв (5000 циклів за хвилину)?

3.14. У двигуні Стірлінга, розглянутому раніше, відбувається ізотермічне стиснення, за яким слідує ізохорічний підведення тепла, ізотермічне стиснення та ізохорічний відведення тепла.

Ізотермічний стиск досить складно забезпечити, особливо в двигунах, що мають велику частоту розв'язання. Тому припустимо, що двигун під час роботи здійснює адіабатичний стиск. Примел., що інші фази роботи двигуна, що розглядається, відповідають фазам раніше описаного двигуна. Так, при ізотермічному підведенні тепла до робочого тіла підводиться 293 Дж. Тобто «гарячий» циліндр після процесу адіабатичного стиснення матиме температуру 652 До закінчення процесу підвалу теплоти.

Визначте теоретичну ефективність двигуна (без регенерації тепла) та порівняйте її з ефективністю відповідного циклу Карно.

Визначте потужність, вироблену одним циліндром даного двигуна, за умови, що ефективність реального двигуна буде приблизно в 2 рази менша, ніж ефективність ідеального. Частота обертання валу двигуна 1800 об/хв. Кожен оберт обертання валу відповідає одному повному циклу двигуна. Для розрахунків прийміть у = 1,4.

3.15. Припустимо, що двигун працює у температурному діапазоні між 1000 і 500 К з ефективністю двигуна Карно. Джерело теплоти має потужність 100 кВт та температуру 1500 К. Дане тепло передається робочому тілу раніше описаного двигуна. Припустимо, що передача теплового потоку здійснюється при температурному градієнті, що знижує температуру від 1500 до 1000 К. Ефективність передачі тепла при цьому приймемо 100%, тобто потужність 100 кВт підводиться до двигуна без втрат.

Чому дорівнює ефективність описаного вище двигуна, що працює за циклом Іірно? Чому дорівнює корисна потужність цієї системи (двигуна)?

3.16. Паровий котел подає пару до парової турбіни. У стінках котла є канали, якими протікає пара. Ці стінки з одного боку знаходяться у зоні дії полум'я топки. Температура нагрітої пари 500 К, -.чпература стінки, що контактує з полум'ям, 1000 К. Через кожен квадратний сантиметр поверхні нагріву проходить тепловий потік 1 кВт. Теплопровідність металевих стінок каналу X залежить від температури наступного закону: X = 355 – 0.111Т (у системі СІ). Температура під- с" чвляется в кельвінах.

Розрахуйте товщину стіни.

2 Визначте температуру в середній точці між внутрішньою та зовнішньою стінкою каналу.

I". Чотирьохтактний двигун Отто з іскровим запаленням має загальний об'єм ліндрів 2 л і працює на метані (вища теплота згоряння 55,6 МДж/кг). Ступінь стиснення в двигуні 10:1. паливо таким чином щоб витримувалося аанное стехіометричне співвідношення Показник адіабати суміші дорівнює 1,4 ■ стіна має середньостатистичний рівень втрат, тому дійсний - ч потужність, яку виробляє двигун, становить 30% ідеальної, початку процесу стиснення тиск робочої суміші становить тільки 5 104 На< температуре 350 К, так как гидравлические потери на входе можно считать небрежимо малыми.

му дорівнює потужність, що передається двигуном на навантаження, якщо частота вра - ргнія його валу дорівнює 5000 об/хв? З урахуванням особливостей двигуна розрахунок Схоже зробити виходячи з нижчої теплоти згоряння палива.

18. Розглянемо двигун із іскровим запаленням, ступінь стиснення якого на 9:1. Газ усередині циліндра має у = 1,5.

Початковий стан робочого тіла має такі параметри: = I л;

I атм; Тх = 300 К.

кінці процесу стиснення впорскується 10 мг бензину, потім суміш підпалювання - г'я. Згоряння палива відбувається миттєво. Приймемо, що питома теплота ня бензину 45 МДж/кг.

Визначте ідеальну ефективність двигуна.

Підрахуйте ефективність відповідного заданим умовам циклу Карно.

3. Доведіть, що зменшення кількості палива, що впорскується, за один піки призведе до наближення ефективності циклу Отто до ефективності ЦВК Карно.

3.19. У дизельному двигуні паливо впорскується в гаряче стиснене повітря, що знаходиться в циліндрі, після чого суміш мимоволі спалахує. Припустимо, що паливо подається відносно повільно, тому згоряння суміші має місце практично при постійному тиску. Ступінь стиснення г, що використовується в більшості дизельних двигунів, знаходиться в діапазоні між 16:1 і 22:1. У дизельних двигунах мимовільне запалювання надійно відбувалося при температурі повітря не нижче 800 К.

Повітря має відношення питомої теплоємності при постійному тиску до питомої теплоємності при постійному об'ємі 1,4 (у = 1,4). Пус температура повітря на вході у холодний дизельний двигун 300 К.

Яким має бути мінімальний ступінь стиснення, необхідний для запуску двигуна?

3.20. Розглянемо машину, яка використовує як робоче тіло повітря (у = 1,4) і виконує послідовний ряд термодинамічних процесів.

У початковому стані (стан 1) газ має такі характеристики рх = 105 Па; Vx = 10-3 м3; Тх = 300 К.

1. 1-й процес (крок I -> 2): адіабатичний стиск, зменшення обсягу до 10-4 м3.

2. 2-й процес (крок 2 -> 3): ізобаричне підведення 200 Дж теплоти.

3. 3-й процес (крок 3 -> 4): адіабатичне розширення до V4 = 10_3м3.

Підрахуйте всю теплову та механічну енергію, яка підводиться до двигуна, та всю механічну енергію, що відводиться від нього. Тому визначте ефективність машини. (Підказка: не забудьте врахувати всі процеси, в яких відводиться енергія.)

3. 21. У циклі дизельного двигуна можна розрізнити такі фази:

фаза 1 2. Адіабатичний стиск чистого повітря від об'єму Vx до об'єму " :

фаза 2 -> 3. Спалювання палива при постійному тиску з розширенням від обсягу V2 до обсягу К3;

фаза 3^4. Адіабатичне розширення від обсягу V3 до V4; фаза 4 -» 1. Ізохорічне відведення тепла, при якому газ виявляється в початкових умовах.

т цикл схожий на цикл Отто з тією лише різницею, що в ніклі Отто згоряння виходить ізохорично, тоді як у дизельному двигуні - ізобарично, дивимося цикл, в якому Fj = К) 3 м3, V2 = 50 Ш-6 м3, V3 = 100 10-6 м3 = 105 Па, 7] - 300 К і для всіх процесів будемо вважати у = 1,4.

Підрахуйте теоретичну ефективність циклу.

Підрахуйте ефективність за допомогою рівняння ефективності циклу дизеля, отриманого в гол. 4.

Підрахуйте ефективність шляхом оцінки всієї механічної енергії (стиснення та розширення) та всіх теплових процесів (підведення та відведення тепла). Будьте достатньо обережними при аналізі того, що відбувається під час фази згоряння (2->3), коли виділяється енергія згоряння палива та одночасно виконується деяка механічна робота.

льтати за пп. 2 та 3 повинні бути однаковими.

Ми всі знаємо, що однією з основ матеріального життя сучасного людства є всім відомі корисні копалини нафту та газ. Благословенні вуглеводні так чи інакше присутні в будь-якій області нашого з вами життя і перше, що спадає на думку будь-якій людині – пальне. Це бензин, гас і природний газ, що використовується у різних енергосистемах (у тому числі й у двигунах транспортних засобів).

Скільки автомобілів на дорогах світу і літаків у повітрі спалюють у своїх двигунах... Кількість їх величезний і настільки ж величезний обсяг палива, що вилітає, так би мовити, в трубу (і при цьому ще впорає внести свою чималу частку в отруєння атмосфери:-)). Однак цей процес не нескінченний. Запаси нафти, з якої виробляється левова частка палива, що використовується у світі (незважаючи на те, що вона поступово здає свої позиції природному газу), швидко зменшуються. Вона постійно дорожчає, і дефіцит її відчувається дедалі більше.

Таке становище вже давно змушує дослідників і вчених усього світу шукати альтернативні джерела палива, зокрема й авіації. Одним із напрямів такої діяльності стали розробки літальних апаратів, які використовують кріогенне паливо.

Кріогенний означає « народжений холодом», і паливом у цьому випадку служить скраплений газ, який зберігається за дуже низьких температур. Першим, що привернув у цьому плані увагу розробників газом, став водень. Цей газ за своєю теплотворною здатністю втричі перевершує гас і, крім того, при його використанні в двигуні в атмосферу виділяється вода і зовсім невелика кількість оксидів азоту. Тобто для атмосфери він нешкідливий.

Літак ТУ-154Б-2.

В середині 80-х років минулого століття в конструкторському бюро А.Н.Туполєва почали створювати літак, який використовує як паливо рідкий водень. Він був розроблений на базі серійного ТУ-154Б з використанням турбореактивного двоконтурного двигуна НК-88. Цей двигун був створений у двигунобудівному конструкторське бюро ім. Кузнєцова(Самара) знову ж таки на базі серійного двигуна для Ту-154 НК-8-2 і призначався для роботи на водні або природному газі. Треба сказати, що у цьому бюро роботи з нової тематики велися ще з 1968 року.

Той самий літак Ту-155 на зберіганні... На жаль поганому зберіганні:-(.

Новий літак, що працює на кріогенне паливоотримав найменування ТУ-155. Але все не так просто. Справа в тому, що водень - це небезпечне паливо. Він надзвичайно горючий і вибухонебезпечний. Має виняткову проникаючу здатність, а зберігатися і транспортуватися може тільки в зрідженому стані при дуже низьких температурах, близьких до абсолютного нуля (-273 градуси за Цельсієм). Ці особливості водню є досить великою проблемою.

Тому ТУ-155 являв собою лабораторію, що літає, для дослідження і вирішення існуючих проблем і базовий літак при її створенні зазнав корінної переробки. Замість правого двигуна НК-8-2 було встановлено новий кріогенний НК-88 (два інші залишилися рідними:). У задній частині фюзеляжу на місці пасажирського салону розмістили спеціальний бак для кріогенного палива, Рідкого водню, об'ємом 20 куб.м. з посиленою екранно-вакуумнийізоляцією, де водень міг зберігатися за температури нижче мінус 253 градуси Цельсія. До двигунів він подавався спеціальним. турбонасосним агрегатомяк на ракеті.

Двигун НК-88. Зверху на двигуні видно потужний турбонасосний агрегат.

Через велику вибухонебезпечність довелося з відсіку з паливним баком видалити практично все електрообладнання, щоб унеможливити найменшу можливість іскроутворення, і весь відсік постійно продувався азотом або повітрям. Для керування агрегатами силової установкибуло створено спеціальну гелієву систему управління. Крім того, пари водню з бака потрібно було відводити подалі від двигунів, щоб уникнути займання. Для цього створили дренажну систему. На літаку добре видно її відведення у хвостовій частині фюзеляжу (особливо на кілі).

Компунувальна схема ТУ-155. Блакитний – паливний бак. У передньому відсіку - обладнання, що забезпечує. Червоним – кріогенний двигун.

Загалом було створено та впроваджено понад 30 нових літакових систем. Втім робота була проведена грандіозна:-). Адже ще потрібно було наземне, не менш складне обладнання, що забезпечує заправку та зберігання. Правда тоді повним ходом йшла розробка системи «Буран», на ракеті-носія якої одним із компонентів палива був рідкий водень. Тому вважалося, що все буде поставлено на промислову основу та нестачі в паливі не буде. Але, я думаю, кожному зрозуміло, що кріогенне паливо в такій системі стає просто золотим за вартістю. І це означає, що комерційне використання рідкого водню в найближчому майбутньому навряд чи можливе. Тому вже тоді йшла підготовка до переходу на інший вид кріогенного палива – зріджений природний газ(ЗПГ).

Проте перший політ ТУ-155 на рідкому водні відбувся 15 квітня 1988 року. Ще крім цього було 4 таких польоти. Після цього ТУ-155 зазнав доопрацювання для польотів з використанням зрідженого природного газу (ЗПГ).

Цей вид палива в порівнянні з воднем значно дешевший і доступніший, крім того він ще й у кілька разів дешевший за гас. Теплотворна здатність його на 15% вище, ніж у гасу. Крім того, він також мало засмічує атмосферу, а зберігати його можна при температурі мінус 160 градусів, що на 100 градусів вище, ніж у водню. Крім того на тлі водню ЗПГ все ж таки менш пожежонебезпечний (хоча, звичайно, небезпека така все ж таки існує) і є достатній досвід підтримки його в безпечному стані. Організація газопостачання (ЗПГ) аеродромів взагалі теж не становить надзвичайної складності. Майже до кожного великого аеропорту підведено газові трубопроводи. Втім переваг вистачає:-).

Перші польоти ТУ-155, що вже використовує кріогенне паливоскраплений природний газ відбулися у січні 1989 року. (Ролик, вміщений нижче, розповідає про це). Ще було близько 90 таких польотів. Всі вони показали, що витрата палива в порівнянні з гасом зменшується майже на 15%, тобто літак стає економнішим і вигіднішим.

Тепер трохи про перспективи… Наприкінці 90-х головний розпорядник російських газових запасів Газпром виступив з ініціативою будівництва на початку вантажно-пасажирського, а потім просто пасажирського літака, який міг би повністю працювати на ЗПГ. Літак отримав найменування ТУ-156 і створювався з урахуванням вже існуючого ТУ-155. На нього повинні були встановлюватися три нові двигуни НК-89. Це аналогічні НК-88, але мають дві незалежні паливні системи: одну для та іншу для кріогенного палива(ЗПГ). Це було зручно в тому плані, що далеко не скрізь була можливість заправки газом, і літак міг би за необхідності переходити з однієї системи живлення на іншу. На це за розробленою технологією потрібно було лише п'ять хвилин. НК-89 мав також теплообмінник у затурбінному просторі, де скраплений газ переходив у газоподібний стан і потім надходив до камери згоряння.

Були проведені великі дослідницькі та розрахункові роботи з перекомпонування відсіків та розташування паливних баків. До 2000 року на Самарському авіаційному заводі мали бути випущені три ТУ-156 і розпочато їх сертифікацію та дослідну експлуатацію. Але… На жаль, цього зроблено не було. І перешкоди для здійснення задуманих планів були виключно фінансовими.

Після цього були розроблені ще кілька проектів літаків, що використовують кріогенне паливо (СПГ), такі, як, наприклад, ТУ-136 з турбогвинтовими двигунами, що працюють як на гасі, так і на зрідженому газі та широкофюзеляжний ТУ-206 з турбореактивними двигунами, що працюють на СПГ . Однак на даний момент усі ці проекти так поки що проектами і залишилися.

Модель літака Ту-136.

Модель літака ТУ-206 (ТУ-204К).

Як складуться справи у цій галузі авіаційної науки та техніки покаже час. Поки що створення літальних апаратів, які використовують кріогенне паливогальмується різними обставинами, як об'єктивними, і суб'єктивними. Має бути ще багато зробити в галузі розробки спеціальних літакових систем, розвитку наземної інфраструктури, систем транспортування та зберігання палива. Але тема ця надзвичайно перспективна (і, як на мене, дуже цікава:-)). Водень з його величезною енергоємністю та практично невичерпними запасами – це паливо майбутнього. Про це можна говорити з повною впевненістю. Перехідним етапом для цього є використання природного газу.

І цей рішучий крок у майбутнє зроблено саме у Росії. Випробовую гордість ще раз кажучи про це:-). Ніде у світі не було і досі немає літальних апаратів, подібних до нашого ТУ-155. Хочеться навести слова відомого американського авіаційного інженера Карла Бревера: Росіяни здійснили в авіації справу, пропорційне польоту першого супутника Землі!»

Це справжня правда! Дуже тільки хочеться, щоб справи ці йшли потоком (а російські це можуть:-)), і щоб цей потік був безперервний, а не рухався ривками, як це у нас часто буває…

Компанія Dearman у партнерстві з вченими, керівниками промислових підприємствта спеціалістами у кріогенному обладнанні спеціалізується на розробці технологій, що використовують скраплені гази. Головним досягненням цих досліджень є двигун Dearman – найновіший поршневий двигун, що працює за рахунок розширення рідкого азоту або рідкого повітря і виробляє екологічно чистий холод та механічну енергію.

При переході азоту з рідкого газоподібний агрегатний стан цей газ розширюється в 710 разів. Це збільшення обсягу та використовується для приводу поршнів двигуна. Двигуни Dearman працюють як парові двигунивисокого тиску, але за низької температури кипіння рідкого азоту. Це означає, що як джерело теплової енергії може бути використане як непридатне тепло, так і температура навколишнього повітря, що усуває необхідність у традиційному паливі.

Унікальною особливістю двигунів Dearman є використання в якості теплоносія суміші води та гліколю. Коли цей теплоносій поєднується з надзвичайно охолодженим азотом, ця рідина квазіізотермічно розширюється, що значно підвищує ефективність роботи двигуна.

Важливо відзначити, що в процесі роботи двигуна Dearman відбувається емісія лише повітря чи азоту, без викидів оксидів азоту (NOx), вуглекислого газу (CO2) чи твердих частинок.

Dearman технологія має безліч переваг у порівнянні з іншими низьковуглецевими технологіями:

• Низькі капітальні витрати та пов'язаний вуглець – Dearman двигуни виготовлені із звичайних матеріалів, з використанням технологій, поширених у промисловості з виробництва двигунів.
• Швидка заправка – рідкий газ може бути переданий між резервуарами на високих швидкостях. Сучасна газова промисловість використовує системи, здатні переганяти понад 100 літрів рідкого газу на хвилину.
• Великі обсяги існуючої інфраструктури газова промисловість має глобальний характер. В даний час є досить розвинене виробництво рідкого азоту, здатне забезпечити роботу тисяч двигунів Dearman.
• Ефективність процесу виробництва "палива" - зрідження повітря давно відпрацьований процес, для якого потрібне лише повітря та електрика.

• Виробничі потужності для зрідження повітря можна використовувати дуже гнучко - наприклад, у неробочий годинник або під час неповного завантаження. Для додаткового скорочення витрат можна застосовувати поновлювані джерела енергії.

Як це працює

Двигун Dearman працює наступним чином:
1. теплоносій закачується в циліндри двигуна, заповнюючи майже весь їх обсяг;

2. потім циліндр вводять кріогенний азот, який вступає в контакт з теплообмінною рідиною і починає розширюватися;

3. тепло від теплоносія поглинається газом, що розширюється, в результаті чого відбувається майже ізотермічне розширення;

4. поршень рухається вниз, випускний клапан відкривається, і суміш газу з рідким теплоносієм виходить із двигуна;

5. теплоносій відновлюється, нагрівається і багаторазово використовується, тоді як азот чи повітря випускається в атмосферу.

На території ЛІІ ім.Громова у підмосковному Жуковському стоїть літак із написом на борту Ту-155. Ця унікальна машина - лабораторія, що літає, для відпрацювання систем і двигуна, що використовують кріогенне паливо. Роботи у цьому напрямі велися наприкінці 80-х років. Ту-155 став першим у світі літаком, який використовує як паливо рідкий водень і зріджений природний газ. Минуло 27 років із першого польоту цієї незвичайної машини. І зараз вона тихо стоїть серед списаних літаків. Кілька разів її хотіли розрізати на метал. Тож чим же унікальний цей літак?
1.

Перш ніж говорити про цей літак, варто пояснити, що таке кріогенне паливо і чим воно відрізняється від вуглеводневого. Кріогеніка - це зміни властивостей різних речовин в умовах вкрай низьких температур. Тобто кріогенне паливо означає “народжене холодом”. Йдеться про рідкий водень, який зберігається і перевозиться в рідкому стані за дуже низьких температур. І про зріджений природний газ, що має також дуже низькі температури.

У порівнянні з гасом рідкий водень має ряд переваг. Він має втричі більшу теплотворну здатність. Тобто при спалюванні рівних мас у водню виділяється більше тепла, що безпосередньо впливає на економічні характеристики силової установки. Крім того, при його використанні в атмосферу виділяється вода і зовсім невелика кількість оксидів азоту. Це робить силову установку нешкідливою для атмосфери. Однак водень є дуже небезпечним паливом. У суміші з киснем він надзвичайно горючий і вибухонебезпечний. Має виняткову проникаючу здатність, а зберігатися і транспортуватися може тільки в зрідженому стані при дуже низьких температурах (-253 ° C).

Ці особливості водню є досить великою проблемою. Саме тому спільно з рідким воднем як авіаційне паливо розглядався і природний газ. У порівнянні з воднем він значно дешевший і доступніший. Його можна зберігати в зрідженому стані при температурі -160°C, а в порівнянні з гасом, він має на 15% більшу теплотворну здатність. Він у кілька разів дешевший за гас, що робить його також економічно вигідним як авіаційне паливо. Проте природний газ також пожежонебезпечний, хоч і меншою мірою, ніж водень. Саме з цими труднощами належало впоратися інженерам ОКБ ім.Туполєва під час створення експериментального літака Ту-155.
2.

Авіаційні конструктори вперше зіштовхнулися із кріогенною технікою. Тому проектування йшло у тиші конструкторських залів, а й у дослідницьких лабораторіях. Конструктори крок за кроком впроваджували нові конструкторські рішення та технології, що забезпечують створення принципово нових систем літака, кріогенної силової установки та систем, що дозволяють її безпечну експлуатацію.
3.

Літаюча лабораторія створювалася на базі серійного Ту-154, доопрацьованого під стандарт Ту-154Б. Бортовий номер СРСР-85035. Головним конструктором Ту-155 було призначено Володимира Олександровича Андрєєва. У літаку було багато важливих відмінностей від базового варіанту. Криогенний паливний бак об'ємом 17,5 м 3 разом із системою подачі палива та системою підтримки тиску становив експериментальний паливний комплекс, розміщений у хвостовому відсіку фюзеляжу, відокремленому від інших відсіків літака буферною зоною. Бак, трубопроводи та агрегати паливного комплексу мали екранно-вакуумну ізоляцію, що забезпечує задані теплопритоки. Буферні зони захищали екіпаж та життєво важливі відсіки літака у разі порушення герметичності водневих систем.
4.

На літаку було встановлено експериментальний турбореактивний двоконтурний двигун НК-88, створений у Самарі у двигунобудівному конструкторському бюро під керівництвом академіка Миколи Дмитровича Кузнєцова на базі серійного двигуна для Ту-154 НК-8-2. Він встановлювався замість правого штатного двигуна та використовував для роботи водень чи природний газ. Два інших двигуни були рідними та працювали на гасі. Нині їх знято. А ось НК-88 залишився на місці.
5.

6.

7.

Для управління та контролю кріогенного комплексу на літаку є низка систем:

Гелієва система, що управляє агрегатами силової установки. Оскільки двигун працював на водні, до нього не можна було підводити електроприводи. Саме тому його систему управління замінили на гелієву.

Азотна система, що заміщає повітряне середовище у відсіках, де можливі витікання кріогенного палива.

Система газового контролю, що контролює газове середовище у відсіках літака та попереджає екіпаж у разі витоків водню задовго до вибухонебезпечної концентрації.

Система контролю вакууму у теплоізоляційних порожнинах.

У вантажному відсіку носової частини фюзеляжу розташовані круглі балони із азотом. Також вони встановлені і в салоні літака вище ілюмінаторів. На підлозі замість пасажирських крісел встановлено балони з гелієм. Плюс стійки з контрольно-вимірювальною та записувальною апаратурою.

Загалом було створено та впроваджено понад 30 нових літакових систем. Серед нових технологій важливе місце займає технологічний процес, що забезпечує очищення внутрішніх порожнин трубопроводів та агрегатів. Тому що з високоефективною ізоляцією та вакуумною герметичністю, чистота – запорука безпеки майбутнього польоту.

Кабіна екіпажу зазнала змін. Перегородку було перенесено глибше в салон, а в кабіні встановлено робочі місця другого борт-інженера, який відповідав за роботу експериментального двигуна та інженера-випробувача, який контролював роботу бортових експериментальних систем. У підлозі кабіни було змонтовано люк аварійного залишення.

Для обслуговування літака та виконання випробувальних робіт було створено авіаційний кріогенний комплекс. Він складався із системи заправки рідким воднем (або скрапленим природним газом), пневматичного харчування, енергопостачання, телевізійного контролю, газового аналізу, зрошення водою у разі пожежі, а також контролю якості кріогенного палива.

На етапі наземних випробувань виконувалася перевірка функціонування всіх експериментальних систем, включаючи роботу двигуна НК-88 на рідкому водні. Було відпрацьовано режими заправки, обслуговування вакуумних систем, режими роботи паливної системи та системи підтримки тиску у поєднанні з працюючим двигуном. Одночасно відпрацьовувалася підготовка літака до польоту, заправлення бортових систем гелієм та азотом.

На фотографії видно довгу трубу, що тягнеться з-під фюзеляжу до сопла центрального двигуна. Це система аварійного зливу рідкого водню (природного газу). Вона дозволяла у разі потреби злити криогенне паливо на зріз сопла середнього штатного двигуна. У процесі наземних випробувань було відпрацьовано різні ситуації, пов'язані з небезпекою виникнення вибуху та пожежі.

9.

10.

11.

У процесі безпосередньої підготовки до польоту здійснювалася доставка рідкого водню автозаправниками. Вони приєднувалися до літака через стаціонарні кріогенні трубопроводи із запірно-приєднувальною арматурою, яка забезпечувала необхідні протипожежні розриви між літаком, заправником і місцем скидання в атмосферу газоподібного водню, що дренується. Після стикування заправників здійснювався контроль якості рідкого водню з використанням спеціального пробовідбірника та газового хроматографа. Крім звичайних операцій під час підготовки літака до польоту проводилася підготовка експериментального двигуна, експериментальних систем літака та наземного комплексу. Особлива увага приділялася засобам вибухо- та пожежної безпеки, системам газового контролю, азотної, контролю вакууму в ізоляційних порожнинах, системі пожежогасіння, вентиляції відсіку паливного комплексу та мотогондоли. У процесі випробувань відпрацьовувалися різні засоби захисту від підвищення концентрації водню у відсіках як з використанням нейтрального середовища (азоту), так і вентиляцією повітрям від бортової системи кондиціювання.

Через велику вибухонебезпечність із відсіку з паливним баком довелося видалити практично все електроустаткування. Це унеможливило найменшу можливість іскроутворення, а весь відсік постійно продувався азотом або повітрям. Крім того, пари водню з бака потрібно було відводити подалі від двигунів, щоб уникнути займання. Для цього створили дренажну систему. Один із її елементів першим впадає у вічі на кілі літака. Це обтічник випускного колектора.
12.

13.

До першого польоту літак готували на Жуковській льотно-випробувальній та довідковій базі Туполєва (ЖЛІіДБ). Ту-155 відбуксували до місця запуску двигунів. "Я 035, прошу зліт". "035, зліт дозволяю". 15 квітня 1988 року о 17 годині 10 хвилин із підмосковного аеродрому стартував у свій перший політ літак Ту-155 із двигуном, що працює на рідкому водні. Його пілотував екіпаж у складі: перший пілот - заслужений льотчик випробувач СРСР Володимир Андрійович Севанькаєв, другий пілот - заслужений льотчик випробувач СРСР Андрій Іванович Талалакін, борт-інженер - Анатолій Олександрович Кріулін, другий борт-інженер - Юрій Михайлович Кремльов, провідний інженер-випробувач - Валерій Володимирович Архипов.

Політ проходив нормально. Контроль за його виконанням вели усі наземні служби та літак супроводу Ту-134. Відпрацьовані та перевірені на землі системи вперше проходили перевірку у повітрі. Політ тривав лише 21 хвилину малими колами на різних висотах не вище 600 метрів. Він завершився трохи раніше за намічене, для чого в інженера-випробувача Валерія Архіпова були вагомі докази: в азотному відсіку датчики зафіксували наявність азоту, який мав автоматично з'явитися при витоках водню. Але, дякувати Богу, причина була інша. Азот надходив через балонний вентиль, що розгерметизувався при здійсненні літаком крену в обидва боки від осі. Це зрозуміло лише землі.

Було зроблено лише перший крок на шляху вирішення складних проблем впровадження рідкого водню як авіаційне паливо. У процесі льотних випробувань було виконано польоти з перевірки роботи силової установки та систем літака на різних режимах польоту та при еволюціях літака. Виконували запуски експериментального двигуна, випробовувалась робота систем вибухо-пожежобезпеки в режимах створення нейтрального середовища та вентиляції повітря. У червні 1988 року програму льотних випробувань на рідкому водні було виконано повністю. Після цього Ту-155 зазнав доопрацювання для польотів з використанням зрідженого природного газу. Перший політ із використанням цього палива відбувся 18 січня 1989 року. Випробування літака виконував екіпаж у складі: командир корабля – заслужений льотчик випробувач СРСР Володимир Андрійович Севанькаєв, другий пілот – Валерій Вікторович Павлов, борт-інженер – Анатолій Олександрович Кріулін, другий борт-інженер – Юрій Михайлович Кремльов, провідний інженер-випробувач – Валерій Володимирович Архіпов .

Як сказав генеральний конструктор Олексій Андрійович Туполєв: “Сьогодні вперше у світі піднявся літак, використовуючи як паливо скраплений природний газ. І ми сподіваємося, що цей перший політ цього літака він дасть нам змогу зібрати всі науково-експериментальні дані та побудувати літак, на якому вже найближчим часом зможуть літати пасажири”.

Випробування показали, що витрати палива порівняно з гасом зменшуються майже на 15%. Плюс до цього вони підтвердили можливість безпечної експлуатації літака на кріогенному паливі. У ході великого комплексу випробувань на Ту-155 було встановлено 14 світових рекордів, а також здійснено кілька міжнародних перельотів із Москви до Братислави (Чехословаччини), Ніцци (Франція) та Ганновера (ФРН). Загальне напрацювання експериментальної силової установки перевищило 145 годин.

Наприкінці 90-х років головний розпорядник російських газових запасів Газпром виступив з ініціативою будівництва на початку вантажно-пасажирського, а потім і просто пасажирського літака, який міг би повністю працювати на зрідженому природному газі. Літак отримав назву Ту-156 і створювався на базі вже існуючого Ту-155. На нього мали встановлюватися три нові двигуни НК-89, аналогічні НК-88, але мають дві незалежні паливні системи: одну для гасу та іншу для кріогенного палива. Були проведені великі дослідницькі та розрахункові роботи з перекомпонування відсіків та розташування паливних баків.

До 2000-го року на Самарському авіаційному заводі мали бути випущені три Ту-156 і розпочато їх сертифікацію та дослідну експлуатацію. На жаль, цього зроблено не було. І перешкоди для здійснення задуманих планів були виключно фінансовими.

Напевно, можна сказати, що Ту-155 випередив свій час. На ньому вперше застосували системи, до яких людство повернеться. А Ту-155 гідний стояти у музеї, а не серед забутих списаних літаків.

На Міжнародному авіаційно-космічному салоні МАКС-2015 Науково-інженерна компанія "НІК" та Благодійний фонд "Легенди Авіації" за підтримки Адміністрації міста Жуковський та ВАТ “Авіасалон” вперше представили цей унікальний літак широкому загалу.

Текст переважно, мабуть,