Струйные энергетические технологии

Кондрашов Б.М.
Москва, Россия

Содержание

Введение

Описание

Способ 1

Способ 2

Способ 3

Способ 4

Заключение

Литература и используемые обозначения

Описание технологии

Возможность и интенсивность использования запасов энергии, накопленных в различных возобновляемых и не возобновляемых природных источниках, зависит от уровня развития и потребностей общества, доступности энергоносителей и эффективности энергетических технологий. В наше время, когда с каждым годом сокращаются запасы углеводородного сырья, растёт энергопотребление, ухудшается экология, удельный вес возобновляемых экологически чистых источников энергии в энергетическом балансе очень мал, потому что известные технологии их использования не эффективны.

Земля обладает поистине неисчерпаемым источником низкопотенциальной, экологически чистой энергии - атмосферой, которая аккумулирует тепловую и потенциальную энергию газов, нагреваемых лучистой энергией солнца и сжатых под действием гравитации. Неравномерный нагрев этих газов вызывает изменения давления в атмосфере, нарушающие её равновесное состояние, при восстановлении которого потенциальная и тепловая энергия воздуха преобразуются в кинетическую энергию воздушных потоков. Природа наглядно демонстрирует нам способ преобразования энергии атмосферы, находящейся в равновесном состоянии, в вид, доступный для её использования. Первой машиной, выполняющей полезную работу за счёт использования кинетической энергии воздушных масс, стал парус. Следующей - ветродвигатель, который создаёт мощность на валу без потребления кислорода и выработки продуктов сгорания, чем выгодно отличается от традиционных тепловых двигателей. К сожалению, глобальный природный процесс преобразования энергии неуправляем, а кинетическая энергия, с которой воздушные потоки воздействуют на единицу рабочей площади ветродвигателя, мала. Оба фактора снижают эффективность использования этих двигателей в энергетических установках и не позволяют их использовать для привода движителей транспортных средств.

Однако уже давно на практике осуществляется управляемое преобразование и использование этой природной энергии, например, при эжекторном увеличении реактивной тяги. Поэтому удивительно, что до сих пор атмосфера не стала объектом тщательного научного исследования с целью разработки процессов управляемого преобразования энергии атмосферных газов для её использования в энергетических и транспортных системах. Ведь в эжекционном процессе присоединения дополнительных воздушных масс к активной струе рабочего тела равновесное состояние атмосферы нарушается за счёт управляемого локального воздействия этой активной струи, а при его восстановлении атмосфера совершает механическую работу, которая зависит от величины и способа воздействия, а также параметров эжекторных устройств и сферы их применения.

В эжекционном процессе - параллельного присоединения дополнительных масс к стационарной реактивной струе тяга увеличивается без дополнительных затрат энергии топлива за счёт "неуравновешенной силы внешнего давления на входной раструб (заборник) эжектора, появление которой обусловлено понижением давления на стенках раструба при втекании в него эжектируемого воздуха" [1]. Данным утверждением, сформулированным при описании теории эжекторного увеличения тяги в 1969 г. Г.Н. Абрамович констатирует факт управляемого использования энергии атмосферы для выполнения работы. Теория этого процесса параллельного присоединения подтверждена практикой. Он хорошо изучен и уже давно применяется в различных отраслях промышленности. Однако, показатели его эффективности - КПД и коэффициент присоединения дополнительных масс m (равный отношению присоединяемой воздушной массы к массе активной струи) низкие из-за турбулентного смешения и трения, уменьшающих скорость активной струи C_aj. В результате реактивная тяга увеличивается незначительно, а кинетическая энергия реактивной массы, в зависимости от параметров процесса, может быть даже меньше, чем у активной струи.

В другом эжекционном процессе - последовательного присоединения (имеющего иную физическую основу, которая не обязательно связана со смешением объединяемых масс) воздействие пульсирующей активной струи создаёт периодическое разрежение в эжекторном насадке, при котором за счёт неуравновешенной силы атмосферного давления, вслед за каждым импульсом активной струи ускоряется воздух. Процесс может происходить практически без смешения объединяемых масс и уменьшения скорости активной струи. Но возможно это лишь в узком диапазоне величин и соотношений его основных параметров: расчётной частоты, формы, длительности и скорости газовой массы импульсов активной струи, скорости набегающего потока, а также конструктивных параметров эжекторного устройства. Только при их определённом значении присоединение происходит за счёт последовательного втекания воздушных масс вслед за газовой массой импульсов, при котором практически отсутствует их выталкивание из эжекторного насадка газовой массой следующего импульса и турбулентное смешение разделённых газовых масс, уменьшающие эффективность процесса преобразования энергии атмосферы. Этот процесс, в отличие от стохастического природного, управляемый, потому что величина присоединяемой воздушной массы и её скорость зависят от параметров, которые можно изменять, и существенно более эффективный, чем процесс параллельного присоединения.

Необходимо отметить важность открытия "Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей" [2] для дальнейшего развития процессов управляемого преобразования энергии атмосферы.

Одним из его авторов - сегодня академиком РАЕН профессором МАИ О.И. Кудриным - были проведены теоретические и экспериментальные исследования этого эжекционного процесса, доказавшие его эффективность [3]. К сожалению, открытие не получило широкого применения. Вероятно потому, что изначально исследования проводились в авиационной отрасли и были направлены только на получение реактивной тяги (дополнительной к тяге винтовых движителей поршневых авиационных двигателей). Следует отметить, что если процесс присоединения дополнительных масс, в котором происходит существенный прирост кинетической энергии реактивной струи, применяется для увеличения тяги реактивного движителя, то большая часть дополнительно полученной энергии не может быть использована для выполнения полезной работы и неизбежно рассеивается в атмосфере, создавая при этом иллюзию низкой эффективности и самого процесса присоединения. Это обстоятельство, наряду с недостатком информации об экспериментальных исследованиях, стало препятствием для его внедрения в других отраслях, где кинетическую энергию воздушной массы, получаемую в результате управляемого преобразования энергии атмосферы, можно использовать не для получения реактивной тяги, а более эффективно. Кроме того, открытие было сделано в тот период, когда проблема уменьшения запасов традиционных энергоносителей и ухудшения экологической ситуации, обусловленного их применением, не были столь актуальны, как сейчас. Однако и сегодня в энергетических и транспортных системах оно "не работает" ещё и потому, что использование энергии атмосферы, традиционно ограниченное ветроэнергетикой, не соответствует стратегическому направлению развития отечественной термодинамики и энергетики (уже определённому академической наукой с учётом её достижений, научных школ и заделов, к сожалению, не имеющих отношения к бестопливной энергетике) и не "поощряется". Очевидно, что причины возникновения этой ситуации носят, отнюдь, не технический, а социально-экономический характер.

Рассмотрим четыре основных способа преобразования низкопотенциальной энергии в струйных двигателях с использованием процесса последовательного присоединения дополнительных масс. При их описании используем следующие понятия и показатели.

В процессе присоединения получается объединённая реактивная масса

TM = 1 + m     (1.1)

где 1 - масса активной струи; m - присоединённая масса, численно равная коэффициенту присоединения m.

Эффективность процесса последовательного присоединения характеризует также коэффициент скорости объединённой реактивной массы:

w_tm = C_tm / C_pj     (1.2)

где C_tm - скорость объединённой реактивной массы (C_tm равна C_aj, которая зависит от периодического изменения давления в эжекторном насадке); C_pj - скорость пульсирующей реактивной струи, образованной рабочим телом с такими же параметрами, как при образовании активной струи, но расширяющимся в объёме с неизменным давлением (т.е. рабочим телом, истекающим не в эжекторный насадок, в котором изменяется давление в зависимости от степени ускорения в нём присоединяемых газовых масс, а в объём с постоянным давлением, например, атмосферным).

Далее >>