Двигун - №1 (55) 2018 р
ДВИГУНИ на азотні ПАЛИВІ
Вадим Георгійович НЕКРАСОВ. доцент кафедри автомобільного транспорту Акгюбінского університету, к.т.н.,
Андрій Тадейович МАКАРОВ. с.н.с. НЦ ВостНІІ, м.Бердянськ,
Олександр Олександрович Злидень. директор машинобудівного заводу "Алькор", Алма-Ата, Казахстан,
Ахмет Жакіевіч МУРЗАГАЛІЕВ. декан Технічного факультету Актюбінської університету, к.т.н.
Тенденція зростання вартості рідких вуглеводнів і перспектива скорочення обсягів видобутку нафти є причинами пошуку альтернативних палив. Особливо гостро стоїть питання про заміну моторних видів палива. Продукція, що в даний час альтернативні види палива, такі як біоетанол і біодизель, не можуть вирішити проблеми, так як їх виробництво призводить до конфлікту "паливо або продовольство". Крім того, виробництво біопалива має обмежені можливості на рівні 7 ... 10% обсягу споживаного в даний час вуглеводневого палива. Інші види альтернативних палив, такі як синтетичні рідкі палива, вироблені з вугілля, природного газу мають обмежені можливості за умовами вартості і непоновлювані сировини. Відомі спроби використання в якості моторного палива продуктів хімічного виробництва, наприклад, метилового спирту (СН3 ОН) або диметилового ефіру (С2 Н6 О).
В ракетно-космічній техніці в якості палива використовують синтетичні енергоносії бінарного типу. Застосування в наземної техніки загального призначення таких палив є неможливим через токсичності, пожежо- та вибухонебезпечності цих речовин. Ще менше перспектив для використання в наземній техніці мають тверді види унітарного палива, що містять в своєму складі як горючий компонент, так і окислювач. Як правило, твердопаливні двигуни є одноразовими.
З огляду на позитивні особливості синтетичних палив і їх недоліки, була поставлена задача знайти таке унітарне паливо, яке задовольняє ряду вимог і забезпечує можливість його використання в наземній техніці масового застосування. Зазначені вимоги включають безпеку, технологічність, сумісність з конструкційними матеріалами, наявність освоєних технологій виробництва, доступність і поновлювані сировини, низьку вартість кінцевого продукту, який використовується в якості палива.
Дослідженнями встановлено, що деякі продукти азотної промисловості можуть розглядатися як компоненти нових видів унітарних палив. Такими речовинами є композиція карбаміду (CO (NH2) 2 - горючий компонент) і аміачної селітри (NH4 NO3 - окислювач). Застосування суміші цих речовин у вигляді водного розчину, т. Е. В рідкому вигляді, відкриває нові можливості. Концентровані розчини цих речовин поблизу стехиометрической пропорції (80% аміачної селітри і 20% карбаміду) в умовах підвищеної температури (понад 300 ° С) під тиском у присутності каталізаторів реагують екзотермічно з високим газообразованием і виділенням тепла за схемою:
Один кілограм збалансованої за складом суміші в результаті реакції утворює 900 л парогаза (суміші водяної пари, азоту та вуглекислого газу), крім цього виділяється 850 ккал теплової енергії, що підвищує температуру. За енерговиділення зазначена композиція речовин близька до піроксилінового пороху і може бути названа "азотним паливом". Азот виділяється в молекулярному вигляді.
Розгляд азотного палива з точки зору його виробництва і процесів, що відбуваються при енерговиділення, показує, що воно найбільш повно задовольняє принципам, закладеним при пошуку нового виду енергоносія. Воно безпечно, не токсичне, технологічно, проводиться з доступної сировини за існуючими технологіями на діючих підприємствах, має в 2 ... 3 рази меншу вартість (в розрахунку на еквівалентну вуглеводневому паливу енерговиділення). Існує можливість організації виробництва азотного палива з поновлюваних видів сировини - води, повітря, біомаси.
Поршневі двигуни на азотному паливі
Для використання азотного палива в існуючих ДВС необхідна їхня модернізація, так як є деякі особливості. Так, азотне паливо при певному співвідношенні компонентів може використовуватися без споживання атмосферного повітря. У цьому випадку режим роботи ДВС реалізуємо в двотактному циклі.
Розрахунки показують, що найбільша термічна ефективність досягається, якщо в складі палива буде деякий надлишок горючої складової, а бракуючий окислювач буде отримано у вигляді попередньо стисненого повітря. Цей режим можна реалізувати в типовому двотактному циклі з продувкою циліндра повітрям.
Гвинтові ступінчасті двигуни
Особливості азотного палива дозволяють розглядати перспективні схеми двигунів, в яких реалізуються цикли, які мають низку переваг у порівнянні з відомими для сучасних ДВС. Як зазначалося вище, азотне паливо при збалансованому складі пального і окислювача не вимагає використання атмосферного повітря, а процес можна вести при температурі не більше 500 ... 700 ° C. Це дає підставу розглядати можливість застосування поточних процесів в двигунах об'ємного типу.
Один з варіантів об'ємного двигуна поточного принципу дії з обертовими робочими елементами - агрегат на основі стандартних циліндричних роторів з гвинтовою нарізкою, використовуваних в гвинтових компресорах. В даний час вже накопичено певний досвід використання гвинтових модулів в якості двигунів.
Гвинтовий елемент з циліндричними роторами забезпечує ступінь стиснення / розширення близько 2,5. Для отримання сумарної ступеня розширення на рівні 16 потрібні три ступені розширення.
Гвинтові двигуни глибокого розширення
Гвинтовий двигун об'ємного типу з потоковим процесом глибокого розширення реалізується при використанні конічних роторів з гвинтовою нарізкою. У такій розширювальної машині за один прохід газів забезпечується ступінь розширення 18. 20, що характерно для дизельного двигуна.
Другий варіант ротаційного двигуна названий "роторно-хвильовим". У такому двигуні корпус виконаний конічним з наявними гвинтовими каналами на внутрішній стороні. Ротор також має гвинтову форму. Крім того, він крім обертання здійснює рухи по котра утворює конуса.
В результаті такого складного руху гвинтові виступи на роторі відсікають обсяги газу, які зсуваються від центральної вузької частини корпусу до периферійної, розширюючись і за рахунок тиску газів створюючи обертальний момент на роторі.
Виготовлення хвильового двигуна вимагає розробки технології формування складних поверхонь корпусу і ротора.
Таким чином, можливості організації процесу на азотному паливі при високому тиску, але при помірній температурі газу відкривають перспективу створення нового типу двигуна.
[Нагадуємо, що Інтернет-варіант статті сильно скорочений. Ред.]