CC BY
28
В заключение хотелось бы отметить, что разработанная турбовентиляторная система охлаждения могла бы быть использована, в первую очередь, на тяжелых и сверхтяжелых карьерных самосвалах, магистральных тягачах, средних и мощных тракторах. Использование турбовентиляторной системы охлаждения на тракторах позволило бы использовать нетрадиционную компоновку силового агрегата и элементов системы охлаждения с целью оптимального местоположения центра масс машины при работе. По-видимому, турбовентиляторное охлаждение также могло бы оказаться целесообразным для дизелей с воздушным охлаждением.
Литература
1. Woschni Gerhard, Bergbauer Frantz. Verbesserung von Kraftstoffverbrauch und Betriebsverhalten von Verbrennungsmotoren durch Turbocompounding. MTZ: Motortechnische Zeitschrift, 1990, 51, №3.cc.108-116.
2. Мамедов В. Турбокомпаундный дизель. «Основные средства», №9, 2001.
3. Мамедов В. Volvo FH12T. «Основные средства», №1, 2002.
4. Давыдков Б.Н., Малова И.Ю., Кирин И.В., Рыбин Ю.Д., Остапенко С.П. Расчетно-экспериментальное исследование тракторного дизеля с газотурбинным наддувом и дополнительной силовой турбиной. - В кн.: Исследование рабочих процессов тракторных дизелей. - М.: НАТИ, 1980, с. 38-47.
5. Кустарев Ю.С., Костюков А.В., Андреенков А.А. Турбовентилятор системы охлаждения турбопоршневого двигателя. Материалы IX Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», секция «Двигатели внутреннего сгорания». Владимир: ВлГУ, 2003, с. 141143.
Применение энергоаккумулирующих веществ в качестве альтернативного
топлива для газотурбинных установок
Посвящается 40-летию кафедры «Транспортные ГТД» МГТУ «МАМИ» д.т.н., проф. Кустарев Ю.С., доц. Кузнецов В.В., доц. Ащеульников Е.К., Родькин К.П.
МГТУ «МАМИ»
В течение длительного времени на транспорте и в энергетике идет активный поиск альтернативных топлив для тепловых силовых и энергоустановок. Особое внимание при этом уделяется водороду как экологически чистому топливу. Однако использование водорода в качестве топлива сталкивается с серьезными проблемами, среди которых одной из важнейших для транспорта является проблема хранения водорода на борту автомобиля.
Как известно, водород может храниться в баллонах в газообразном или в жидком состоянии, а также в гидридах некоторых металлов. Анализ показывает [1], что в любом случае система хранения водорода на транспортном средстве получается весьма громоздкой и очень тяжелой - в несколько, а то и в десятки раз тяжелее обычной сейчас системы топливопита-ния транспортных двигателей, не говоря уже о более высокой пожаро- и взрывоопасности. Не случайно в настоящее время интенсивно развиваются работы в направлении использования обычного жидкого углеводородного топлива с незначительными (~5 % масс.) добавками водорода. Несмотря на определенные достоинства, это, конечно, можно рассматривать лишь как промежуточный этап в осуществлении задачи перевода энергетики на новые виды топлива.
В этих условиях вполне естествен увеличивающийся интерес еще к одной возможности использования водорода в качестве топлива, а именно, с помощью т.н. «энергоаккумулирующих веществ» (ЭАВ) [2, 3]. Эти вещества позволяют получать водород из воды и тут же его сжигать в камере сгорания теплового двигателя без промежуточного хранения. Способ обладает несомненными достоинствами в отношении безопасности. Объемная энергоемкость ЭАВ значительно выше, чем при указанных выше способах хранения водорода. Выполненный в свое время экономический анализ опытного производства ЭАВ в промышленных условиях свидетельствует, что стоимость удельной энергии промышленного ЭАВ примерно
вдвое ниже, чем у обычного жидкого углеводородного топлива.
Согласно определению, энергоаккумулирующие вещества - это многократно восстанавливаемые из некоторых природных и искусственных соединений вещества, при определенных условиях отдающие аккумулированную в них энергию [1]. Примером таких веществ могут служить кремний, алюминий и другие элементы, соединения которых широко распространены в природе. В частности, окислы этих элементов в больших количествах содержатся и в зольно-шлаковых отвалах угольных ТЭЦ. По разработанной промышленной технологии такие окислы могут быть восстановлены и получен сплав алюминия и кремния, т.е. ЭАВ.
Схема дальнейшего применения ЭАВ на примере алюминия следующая.
Вначале алюминий при наличии катализатора подвергают реакции с водой
2 А1 + 3Н 20-> А1203 + Н 2 + Q1
Реакция идет с большим выделением тепла Q1 = 15174 кДж/кгА1 и образованием 0,111 кг водорода на 1 кг исходного алюминия.
Затем полученный водород поступает в камеру сгорания теплового двигателя и сжигается в потоке воздуха
2 Н 2 + О2-> Н 2О + Q1
При этой реакции вода образуется в виде пара с выделением Q2 = 121112 кДж/кгН. В пересчете на 1 кг исходного алюминия выделяется Q2' = 13457 кДж/кгА1.
Таким образом, общая теплотворная способность ЭАВ в форме алюминия составляет Q = Q1 + Q2' = 28631 кДж/кгА1, причем при первой реакции выделяется примерно половина располагаемого тепла (~53 %).
Здесь проявляется особенность технического применения ЭАВ в качества топлива, заключающаяся в необходимости иметь два, энергетически примерно равноценных последовательных устройства: реактор для получения водорода из воды с помощью ЭАВ и собственно камеру сгорания, работающую на полученном водороде. Для таких условий использования топлива наиболее приспособленными оказываются струйные машины - газотурбинные двигатели, в которых относительно просто можно осуществить непрерывное протекание рабочего тела через последовательно расположенные реактор и камеру сгорания.
Однако большие тепловыделения в зоне реакции ЭАВ с водой сопровождаются значительным ростом температуры (до 3000 К [1]), недопустимым для конструкционных материалов реактора. Реактор требует интенсивного охлаждения. В ряде работ рассматривалось охлаждение реактора избыточной водой, «балластной водой». Расчеты показывают, что для обеспечения приемлемой температуры (до 1000 К) количество балластной воды должно превышать стехиометрическое (необходимое для реакции ЭАВ с водой) количество воды в несколько раз (и даже в десятки раз). При этом из реактора в камеру сгорания поступает уже не только водород, но смесь водорода с большим количеством перегретого водяного пара. Причем и далее в проточную часть двигателя поступает большое количество водяного пара.
Эта идея использования ЭАВ в качестве альтернативного топлива для ГТД негласно предполагает, что сам газотурбинный двигатель относительно просто конвертируется с обычного углеводородного топлива на энергоаккумулирующие вещества. К сожалению, это не так. Выполненное расчетное проектирование показало, что в условиях использования для охлаждения реактора балластной воды, проточная часть ГТД существенно изменяется, т.е. по существу требуется заново проектировать газотурбинный двигатель. Большая разница в количестве и составе рабочего тела, проходящего через компрессор и ступени турбин, требует больших изменений проточной части компрессора, турбин, чисел оборотов валов, замены редуктора. Учитывая, что необходимы также новые камера сгорания, система питания, ясно, что речь идет по существу о проектировании нового газотурбинного двигателя специально для работы на энергоаккумулирующих веществах.
Поскольку главной причиной изменений является использование балластной воды, естественно возникает вопрос о замене ее другим охлаждающим агентом - воздухом, т. е. рабочим телом обычного ГТД.
Для решения этой задачи необходимо разработать водородный реактор с воздушным
охлаждением и его системы.
Состав рабочей смеси Gn/GsaB
Рис. 1. Термодинамические параметры процесса горения трехкомпонентного ЭАВ в
водяном паре.
Рабочий процесс в пароводородном реакторе отличается исключительной сложностью и многообразием протекающих в нем физико-химических процессов. На основе упрощенной математической модели равновесной термодинамической системы и с использованием методов расчета [4, 5] были выполнены термодинамические расчеты и анализ горения ЭАВ в среде перегретого водяного пара. В качестве модельного ЭАВ задавался сплав следующего состава: Si - 60 %, Al - 35 %, Fe - 5 %, примерно соответствующий ЭАВ из отходов Канско-Ачинских углей.
Изменение рабочей температуры в зоне реакции и количество выделяющегося тепла при изменении соотношения расхода водяного пара и ЭАВ приведены на рисунке 1. Максимальная температура горения исследуемого трехкомпонентного ЭАВ в водяном паре достигается при соотношении Оп/Оэав, равном примерно 1,1, и составляет 2750 К. Сравнение с результатами расчета горения такого же ЭАВ в воздухе (при стехиометрическом составе исходного рабочего тела) показывает, что в водяном паре температура горения снижается примерно на 380 К. Однако при этом снижается и количество выделяемого тепла. Но не следует забывать, что газ, получаемый в реакторе, сам по себе является высококалорийным топливом, при сжигании которого в камере сгорания может быть дополнительно получено значительное количество теплоты. Рабочая температура в зоне реакции реактора определяет его теплонапряженность. Снижения температуры можно достичь обогащением или обеднением состава рабочей смеси ЭАВ и водяного пара. Однако обогащение смеси явно нецелесообразно ввиду неполного сгорания ЭАВ.
Ввиду многообразия определяющих факторов были приведены исследования полноты сгорания порошкообразных ЭАВ в воздушном потоке. В качестве важной системы реактора была спроектирована и испытана цилиндрическая форкамера сгорания, предназначенная для создания высокотемпературной среды на входе в реактор.
Исследование продуктов сгорания проводилось на наличие в них остаточного количества металлической фазы. Металлическая фаза на алюминий и кремний определялась методом беспламенной атомно-абсорбционной спектроскопии на спектрометре В-305 Perkin Elmer. Контрольный анализ состава промышленного ЭАВ показал: Si - 63,5 % масс.; Al - 22 % масс.; Fe - 7 % масс.; Ca - 2,5 % масс.; Mg ~ 1 % масс.; Ti ~ 1 % масс.; оксиды проч. металлов МеХО - 3 % масс.
Некоторые результаты исследований продуктов сгорания приведены в таблице 1, откуда следует, что существенное влияние на полноту сгорания ЭАВ оказывает дисперсность порошкообразных ЭАВ. Этого следовало ожидать. Поэтому в качестве топлива для тепловых двигателей желательно использовать мелкодисперсные порошки ЭАВ, во всяком случае с размером частиц до 50 мкм. Обращает на себя внимание содержание в продуктах сгорания значительного количества металлического кремния, особенно при больших размерах частиц исходного порошка ЭАВ. В связи с этим было проведено специальное исследование модельного ЭАВ, состоящего из смесей мелкодисперсных порошков кремния и алюминия. Резуль-
таты анализа продуктов сгорания этих смесей различного состава представлены в таблице 2.
Таблица 1
Фракционный состав ЭАВ, мкм Состав продуктов сгорания ЭАВ, % масс.
Ме МехО Мех
А1 Бе
5 - 20 2,6 1 1,5 94,9 Следы
20 - 50 3 2 1,3 93,7
50 - 100 4,1 2,8 1,5 91,6
100 - 150 7 3,6 2 87,4
150 - 200 15,2 5,1 3 76,7
Таблица 2
Результаты анализа продуктов сгорания образцов смесей Л1 и 81
Состав материала, % Б1, % масс А1, % масс
А1 - 100 нет нет
А1 - 75/Б1 - 25 0,35 нет
А1 - 65/Б1 - 35 0,6 нет
А1 - 50/Б1 - 50 0,8 нет
А1 - 35/Б1 - 65 0,95 нет
А1 - 30/Б1 - 70 1,2 нет
А1 - 25/Б1 - 75 1,5 нет
Результаты исследований показали, что в пробах продуктов сгорания смесей порошков алюминия и кремния с повышением содержания кремния в исходном ЭАВ увеличивается содержание металлической составляющей кремния в продуктах сгорания. Это явление может объясняться термической диссоциацией содержащегося в продуктах сгорания монооксида кремния с образованием, при ее охлаждении ниже 1100 °С, некоторого количества металлического кремния.
Эксперименты по исследованию воспламенения и горения ЭАВ промышленного состава проводились в воздушном потоке в цилиндрической форкамере диаметром 78 мм длиной 500 мм. Фракционный состав, масс.: 5 - 20 мкм - 20 %; 25 - 50 мкм - 30 %; 50 - 100 мкм -30 %; 100 - 150 мкм - 10 %; 150 - 200 мкм - 10 %. Определялся коэффициент полноты сгорания ЭАВ в зависимости от скорости входа окислителя в камеру сгорания '0 и коэффициента избытка окислителя. Результаты экспериментов представлены на рисунке 2.
1 -
0,9 -
к
« 0,8 -
о
О 0,7 -
те
£о,в-
о
"=0,5-
0,4 -
1 1,5 2 2,5
Коэффициент избытка окислителя
Рис. 2.
Скорость вылета частиц ЭАВ из форсунки для всех опытов составляла 17 м/с. Зонд пробоотборника вводился на глубину до 35 мм. Максимальная полнота сгорания наблюдалась при коэффициенте избытка окислителя, равном примерно 1,5, и при высоких, до '0 = 15 м/с, скоростях подачи окислителя в рабочую зону камеры сгорания.
Выводы
Проведенные исследования свидетельствуют о возможности и целесообразности использования энергоаккумулирующих веществ в качестве альтернативного топлива для тепловых, в частности для газотурбинных двигателей.
Целесообразно применять мелкодисперсные порошкообразные ЭАВ, главным образом, сплавы кремния и алюминия. Желательно с минимальным количеством железа.
Перспективными представляются дальнейшие исследования горения ЭАВ в среде перегретого водяного пара.
Литература
1. Варшавский И.Л. Энергоаккумулирующие вещества и их использование. - Киев: Наукова думка, 1980. - 240 с.
2. Grönert H. Verminderte Umweltbelastung mit Aluminium als regenerierbaren Energieträger. Fössilbefeuerte Kraftwerke// Brennst.-Wärme-Kraft. - 1988,- 41, № 7-8, S. 364-369.
3. Weber R. Prototyp-Brenner Heizt mit Aluminium als Energiequelle. - VDI Nachrichten, 1991, № 2, - S.19.
4. Синярев Г.Б., Слынько Л.Е., Трусов Б.Г. Принципы и метод определения параметров равновесного состояния. - Тр. МВТУ, 1978, № 268, С. 4-21.
5. Трусов Б.Г. Термодинамический метод анализа высокотемпературных состояний и процессов и его практическая реализация. - М.: МВТУ.-1984.
Моделирование процессов управления продольным движением автомобиля с
помощью аналитических автоматов
к.т.н., проф. Лепешкин А.В., Катанаев Н.К., Драгунов С.С.
МГТУ «МАМИ»
Описание движения автомобиля может рассматриваться как в детерминированной, так и в вероятностной постановке. Если предполагается, что автомобиль является детерминированным объектом, то в условиях отсутствия возмущающих воздействий от внешней среды, его состояние должно полностью определяться поступающим на его вход заданием. В качестве задания может выступать скорость движения, траектория движения, либо другие формы движения с дополнительными критериями качества. Для достижения цели к объекту включается управляющее устройство, с помощью которого формируется управляющее воздействие. Управляющее устройство в совокупности с автомобилем образует систему управления.
Методология построения устройства управления обсуждалась неоднократно. Одним из теоретических направлений является описание управляющего устройства как оператора с обратной передаточной функцией объекта управления. Оно имеет весомое математическое обоснование, и его суть сводится к следующему. Пусть объект управления имеет передаточную функцию Wo (S) вида
W0 (s) = , (1)
Do(s) ()
De (S)
где: eV ' - оператор по входу e;
D°(S) - собственный оператор объекта управления;
S = d / dt _
оператор Лапласа (алгебраизированный оператор дифференцирования).
Надлежит определить передаточную функцию Жу) устройства управления из предположения, что оно абсолютно точно отследит заданнуюУз траекторию (действительная
траектория у должна быть равна заданной Уз). В этом случае в соответствии с алгоритмической схемой (рис. 1) можно записать
у = Жу (У)* Ж (У)* уз (2)
Условие (Уз = У) может быть выполнено лишь в том случае, когда произведение пере-
