CC BY
36УДК 662.769.21; 662.61
ПОРОХОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
В. Г. Некрасов, А. Ф. Макаров*
ТОО «НЕТРОЭН» пр-т Абылай хана, 32, г. Алматы, 050004, Республика Казахстан Тел.: (327) 271-09-05; факс: (327) 271-09-05; e-mail: [email protected]
* ФГУП «НЦ ВостНИИ» 2-й Тульский пер., 5, г. Кемерово, 650002, Россия Тел.: (384-2) 64-25-85, 64-05-45; факс: (384-2) 64-26-56; е-mail: [email protected]
In article is shown possibility of the use alternative power system on base composition material, containing nitrogen and hydrogen. The nitric fuel presents itself unitary fuel, it contains in its composition combustible forming and oxidant. In process of combustion nitric fuel occurs separation of gases, which make the work. The foundation of nitric fuel be the products of nitric industry ammonium nitrate and urine. The price of nitric fuel is 2-3 times less of cost oil fuel. The nitric fuel can be used in all types of the engines, which must be adapted for its using. Particularities of the piston engine are shown for use in it nitric fuel. Efficiency of the engines on nitric fuel can reach 70% under low toxicity perfected gas. Using nitric fuel is one of kind of hydrogen energy.
Введение
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) сегодня является самым распространенным устройством для преобразования энергии химического топлива в механическую работу. Несмотря на то, что поршневые ДВС оказались вытеснены из большой авиации, они прочно удерживают свои позиции в других отраслях, являясь практически единственным видом двигателей в автомобильном транспорте, речном и морском флоте, обеспечивают значительную долю перевозок на железнодорожном транспорте, используются для привода автономных электрогенераторов и мини-техники. Однако дальнейшее развитие ДВС сегодня связано с решением насущных топливных и экологических проблем.
Виды топлив для существующих тепловых двигателей
Существование ДВС неразрывно связано с различными видами химического топлива, сжигаемого по циклам ДВС для получения зарядов сжатых рабочих газов. При этом в качестве топлива обычные ДВС используют горючие органические вещества и воздушный окислитель из атмосферы. Первичным энергоносителем (топливом) считают горючие вещества, хранимые на борту транспортного средства. Среди различных
его видов доминирует жидкое горючее нефтяного происхождения (бензин, дизтопливо, керосин). Ежегодно ДВС автомобилей потребляют около 1 млрд. тонн нефтяных топлив. Но запасы нефти на Земле ограничены и невозобновляемы. Сегодня оценивается, что при существующих тенденциях потребления нефти все рентабельные месторождения будут исчерпаны через 3050 лет. Прогнозы различных специалистов на период «нефтяного голода» отличаются друг от друга, но все они укладываются в диапазон: от «проблематично» до «катастрофично». Однозначным является то, что эра дешевой нефти уже закончилась и стоимость нефтяного топлива будет лишь неуклонно возрастать, так как нефть, добытая из сверхглубоких скважин и на континентальном шельфе, обходится всегда дороже той, которая добывалась в предшествующие периоды.
В настоящее время реальной замены ДВС в ближайшие годы не просматривается. В связи с этим идет активный поиск альтернативных энергоносителей по назначению «моторного топлива». Впрочем, вопрос про «топливо для ДВС» стоял с момента появления ДВС и даже ранее. Распространение дымного пороха в Европе с XIII в. и изобретение пушек навело изобретателей на мысль о возможности использования пороха для получения механической энергии. Та-
Статья поступила в редакцию 19.01.2007 г.
The article has entered in publishing office 19.01.2007.
кие попытки делали Гойтфель (1678 г.), Гюйгенс (1680 г.) [1]. В 1688 г. Папен продолжил опыты с пороховой машиной Гюйгенса [2]. Все эти попытки не привели к успеху. Изобретатель процесса газификации древесного топлива француз Лебон, оформив патент на получение генераторного газа, в 1801 г. оформил дополнение к своему патенту, где описывал принцип газового двигателя внутреннего сгорания. К сожалению, идея Лебона не была реализована. В 1820 г. в Англии Сесиль описал опыты с двигателем, работающим на водороде. Известно, что первый серийный двигатель внутреннего сгорания Ле-нуара (1860 г.), первый четырехтактный двигатель Отто (1878 г.), ставший прообразом современных четырехтактных двигателей, первый двухтактный двигатель Клерка (1880 г.) — все они работали на искусственном газе как единственном виде моторного топлива, доступном в то время [3]. «Оторвать» ДВС от стационарных газовых сетей и сделать возможным применение его в качестве привода транспортных средств позволило освоить сжигание в цилиндрах ДВС жидкого топлива — керосина. Это было сделано Даймлером и его сподвижником Майбахом, создавшим пульверизационный карбюратор (1893 г.), но приоритет создания пульверизаци-онного карбюратора был отдан венгерскому ученому Банки, описавшему принцип карбюратора ранее (что было установлено в 30-х гг. XX века).
Отсутствие нефти в Европе привело к разработке технологии каталитического синтеза жидких углеводородов из угля (реакция Фишера-Тропша) [4]; сегодня синтетическое топливо производится на трех заводах в ЮАР, обеспечивая парк автомобилей страны жидким топливом. Освоение технологии сжижения попутного нефтяного газа (пропана-бутана С3Н8, С4Н10) и развитие добычи природного газа (метана СН4) привело к созданию надежных систем питания двигателей, в том числе транспортных, газовым топливом.
В качестве моторного топлива используются спирты — метанол СН3ОН и этанол С2Н5ОН — как в чистом виде, так и в смесях с бензином, сокращая его потребление и выполняя роль экологически чистых антидетонационных добавок. Спирты производятся в основном из растительного сырья, поэтому спирты считают «биотопливом». Больших успехов в производстве «моторных» биоспиртов достигла Бразилия, где этот вопрос в свое время решался на уровне государственной программы.
В некоторых сельскохозяйственных районах, где освоена технология метанового сбраживания отходов, в качестве моторного топлива используется биогаз — метан (70-80 %) в смеси с углекислым газом (20-30 %) [5].
Для дизельных двигателей топливом могут служить растительное масло либо продукты его обработки метанолом (этанолом) с получением метанольного (этанольного) эфира. Перспективным в этом направлении является использование рапсового масла ввиду высокой маслянич-
ности этой культуры. В настоящее время в ряде стран, в частности, в Европе, производство рапсового масла и рапсово-метанольного эфира достигает нескольких тысяч тонн в год [6].
В последнее время перспективным направлением считается применение водорода. В Германии уже появились водородные заправки и автомобили на водороде, в США проблема «водородного топлива» решается на уровне национальной программы.
Из приведенного краткого анализа можно видеть, что в настоящее время для питания ДВС используется целая гамма первичных энергоносителей, которые можно подразделить на две основные группы: жидкие и газообразные. Из опыта эксплуатации известно, что жидкие энергоносители более технологичны и удобны при хранении; системы жидкостного питания двигателей проще и надежнее, а зона их использования значительно шире, чем у газовых двигателей, которые привязаны к своим сетям газового топлива более жестко.
Все рассмотренные типы ДВС на жидком или газовом топливах работают по воздушно-тепловым (газовым) циклам. Это значит, что заряд воздуха-газа {2^ + ^02}, предварительно сжатый в цилиндре, за счет «подвода теплоты» реакций сгорания топлива (окислитель — кислород воздуха) нагревается до 2000-2500 °С. При этом по закону газового состояния при нагреве заряда газа его давление повышается. Следовательно, химическая энергия топливной смеси вначале преобразуется в термическую, а затем — в потенциальную энергию (давление) сжатого газа. Далее газ, расширяясь, давит на поршень, преобразуя свою энергию избыточного давления в механическую энергию движения поршня, которая механизмом преобразования движения преобразуется из линейного движения поршня во вращательное движение вала двигателя. Диапазон нагрева газов, их термодинамические свойства, степень полезного расширения и сопутствующие потери при нескольких преобразованиях энергии определяют в целом эффективность воздушно-тепловых двигателей: бензиновых ДВС — не более 30-35 %, дизельных ДВС — около 40 %.
Принцип порохового цикла
Вернемся к идее порохового двигателя. В принципе, огнестрельные орудия — это пороховые ДВС, преобразующие энергию горячих сжатых рабочих газов из объема порохового заряда в механическую (кинетическую) энергию движения снаряда. Здесь неважно, что процесс выстрела расчленен на отдельные операции, а метаемый снаряд не имеет связи с механизмом преобразования движения. Процесс преобразования химической энергии порохового заряда происходит по другому принципу, отличному от воздушных циклов ДВС. Порох — разновидность унитарных топлив и взрывчатых веществ (ВВ), содержащих в составе твердой фазы как окислитель (донор кислорода), так и горючее вещество (реципиент кислорода), способных к экзо-
термической реакции. Главная особенность порохового цикла — превращение высокоплотной фазы твердых компонентов заряда в низкоплотную фазу рабочих газов. Этот фазовый скачок состояния вещества заряда — результат необратимых окислительно-восстановительных реакций «горючее + окислитель = продукты-газы» (протекающих, в общем случае, и в объеме конденсированного заряда, и в газовой фазе первичных продуктов реакций). По закону сохранения, масса продуктов-газов равна массе пороха, поэтому объем пороховых газов будет превышать объем пороха пропорционально отношению плотностей исходного заряда и газовой фазы (примерно в 103).
Исторически первым топливом-порохом был дымный порох — тонкая смесь порошков калиевой селитры KNO3 (68-75 %), серы (10-15%) и древесного угля (15-17%). В эпоху Средневековья это было первое вещество, обладавшее неизвестными ранее взрывчатыми свойствами. Высокая скорость сгорания пороха (до 400 м/с) объясняется быстрым проникновением горячих поджигающих газов между частицами пороховой смеси. Эпоха дымного пороха длилась свыше 500 лет, до середины XIX в.; за это время не было найдено других порохов, удобных для применения. Сгорание дымного пороха за счет «встроенного» кислорода калиевой селитры протекает в основном по уравнению [7]:
2KNO3 + 3C + S = K2S + 3CO2 +N2.
Температура продуктов вспышки дымного пороха достигает до T1 = 2100 °С, с выделением до Q = 585 ккал теплоты и до VHу = 280 л газов на 1 кг смеси. Продукты реакции содержат примерно 50 % по массе твердых и жидких частиц калиевых солей (K2S, K2CO3, K2SO4), почти не участвующих в работе расширения газов (CO2, N2, СО). Это снижает работоспособность заряда из «слабого» дымного пороха в сравнении с показателями бездымных порохов на основе пироксилина, имеющего более высокую теплоту сгорания и не содержащего в продуктах твердых остатков (Q = 900 ккал/кг, VH = 1000 л/кг) [8]:
C24H29O9(ONO2)n = 12CO2 + 12CO + 6H2O (пар) + + 8,5H2 + 5,5N2.
Таким образом, главная физико-химическая особенность пороховых систем как энергоносителей состоит в том, что все топливные компоненты (и горючие, и окислители, и рабочие газы) подобно чрезвычайно сжатой пружине хранятся при весьма высокой плотности кристаллов и молекулярных связей конденсированной фазы (K-фазы). При возбуждении реакции от искры или капсюля-воспламенителя происходит необратимое экзотермическое фазовое превращение вещества (газораспад), когда объем полученных газов превышает объем исходного заряда примерно в тысячу раз. При сжигании навески бездымного пороха в камере постоянного объема V = const, содержащей n0 моль газов, продукты сгорания (n1 моль) по уравнению состояния га-
зов развивают давление Р1 пропорционально отношению присутствующих количеств газов в камере после реакции и до нее (п1/п0 >> 1), умноженному на отношение их абсолютных температур (Г1/Г0).
Из рассмотренного можно видеть, что на первом этапе (подготовка рабочего заряда) процессы в воздушно-тепловых ДВС отличаются от подготовки стрелкового выстрела. Так, топливная смесь в обычных ДВС готовится из двух компонентов: заряда воздуха-окислителя (более 90-94 %) и дозы горючего (менее 6-10%). Поскольку плотность газов мала, весь воздушный окислитель (все газы) перед сжиганием топливной смеси предварительно сильно сжимают. В «пороховом» сценарии необходимости в такте сжатия нет. Плотность порохов «уже» на 3 порядка выше плотности газов. Монотопливо-порох при плотности 1 г/см3 будет эквивалентно 700-кратно сжатому заряду воздуха с добавкой нефтяного горючего. На этапе сжигания зарядов процессы энерговыделения также идут различно. Сжигая в камере V пороховой заряд, мы получим более высокое начальное давление газов по сравнению с давлением вспышки сжатой воздушно-нефтяной смеси той же массы т и калорийности Q. Дело в том, что сгорающая пороховая масса образует новые газы, которых ранее не было, в дополнение к уже присутствующим (или сжатым) газам в надпоршневом объеме V цилиндра ДВС. Но при сгорании воздушно-нефтяной смеси число молей продуктов воздушного сгорания почти не отличается от числа молей исходного воздуха (п1/п0 ~ 1), поскольку кислород воздуха О2 расходуется на образование оксидов Н2О и СО2. В итоге при одинаковой калорийности зарядов Q (и одинаковой температуре сгорания Т1), начальное давление газов в пороховом цилиндре может быть намного выше. После окончания сгорания термодинамические процессы в такте расширения будут примерно одинаковы, но с учетом более высокого давления Р1 пороховых газов полезная работа продуктов сгорания топлива-пороха может быть существенно выше работы «термического» расширения газов в цилиндрах воздушно-тепловых ДВС.
Таким образом, пороховой цикл не «привязан» к воздушному окислителю, процессам впуска и сжатия в цилиндрах ДВС. С учетом высокого газообразования и более высокой калорийности пороховых навесок ^ ~ 900 кал/г) по сравнению с той же массой воздушно-нефтяной смеси ^ = 630 кал/г) эффективность пороховых двигателей может намного превосходить мощ-ностные показатели обычных ДВС.
Примеры использования окислитель-содержащих топлив
Современные виды смесевых пороховых систем отличаются более сложным составом. Сегодня разрабатываются даже технологии жидких метательных монотоплив для артиллерии (не считая давно известных взрывчатых веществ с близким химическим составом). Но суть твер-
дых или жидких энергонасыщенных систем остается прежней: порох, ракетные топлива и пиротехнические смеси — это концентрированные носители и рабочих тел, и химической энергии «окислитель + горючее». Как правило, активный кислород в таких энергонасыщенных системах закреплен в азотных соединениях (в солях-нитратах NO- и нитросоединениях R-NO2), где его связи с азотом менее прочные, чем вновь образуемые связи кислорода с водородом (Н20) и углеродом (С02, СО).
Возможность использования пороховых систем как моторных топлив для двигателей ограничена тем же признаком, который препятствовал этому и на заре создания ДВС, а именно — сложностью подачи цикловой порции (дозы) твердого топлива в реакционную камеру цилиндра. Кроме того, сухие пороховые смеси чрезвычайно пожароопасны, продукты сгорания многих энергонасыщенных систем весьма неэкологичны, стоимость порохов весьма и весьма велика.
Свойство некоторых азотных соединений, богатых кислородом, отдавать его для окисления горючих веществ используется для форсирования некоторых ДВС на обычном жидком топливе. Так, еще в 30-е годы, решая вопрос кратковременного увеличения мощности бензиновых авиадвигателей самолетов на большой высоте, использовали введение в цилиндры жидкой закиси азота N20. При вспышке бензино-воздуш-ной смеси закись азота легко распадается в цилиндрах ДВС на азот и свободный кислород:
N2O = N2 + 1/2O2.
Реакция распада закиси азота экзотермическая (Q = 445 ккал/кг) с образованием новых газов (VHy = 763 л/кг). Кроме того, массовая доля кислорода в продуктах распада N2O составляет 36 %, что в 1,6 раза выше содержания кислорода (23%) в воздушном окислителе {2N2 + ^O2}. Избыток кислорода в цилиндрах (по аналогии с «наддувом» двигателя) позволяет увеличить подачу горючего-бензина, чем достигается форсирование ДВС, потребляющего часть окислителя из жидкой фазы N2O, не требующей затрат на работу сжатия. В настоящее время в спортивном тюнинге атомобильных ДВС наряду с подсадками закиси азота (технология фирмы «NOS») применяют добавки в бензин растворимых окисли-тельсодержащих нитросоединений: нитробензол ^H5NO2, нитрометан CH3NO2, нитропропан C3H7NO2. Механизм действия нитроприсадок аналогичен форсирующей подсадке закиси азота: часть кислорода для сгорания топливного заряда несут в себе сами нитросоединения, где атомы окислителя «хранятся» в непрочных связях нит-рогрупп -NO2 в жидкой фазе топливного раствора. Широко этот метод не используется, так как нитроприсадки токсичны и дороги, некоторые из них в индивидуальном виде взрывоопасны.
В ракетной, космической и оборонной технике известны смесевые топлива на основе соединений азота, содержащие и горючие компоненты, и окислители в твердой, жидкой или
гелеобразной фазе. Например, в 30-е гг. в СССР исследовалось монотопливо для жидкостных ракет в виде растворов бензина в жидком тетра-оксиде азота (^04). Однако сгорание смесей углеводородов с мощным окислителем ^04, содержащим 70 % активного кислорода, оказалось склонным к детонации (в отличие от монозарядов пороховых ракет). Критический диаметр детонации растворов ^04/керосин составляет лишь 1,2-2,0 мм [9]. Поэтому сегодня азоттет-раоксидные топлива применяются в двухкомпо-нентном варианте (из раздельных топливных баков ракеты) [10]. Двигатели тепловых торпед работают на монотопливных растворах органических нитросоединений или на двухкомпонент-ных топливах на основе сочетаний окислителей перекиси водорода Н2О2, жидкого кислорода с горючими веществами (спирты, углеводороды).
Исследования процессов горения в середине XX века показали, что сгорание многих жидких смесей «горючее + окислитель» склонно к самоускорению с возмущением и турбулизацией горящей поверхности (эффект Ландау) [11]. В то же время твердые ракетные топлива могут содержать десятки процентов бризантных взрывчатых веществ (тротил, гексоген, нитроглицерин и др.), но не детонировать, а лишь гореть при высокой плотности (до 1,7-2,0 г/см3) твердотопливного монозаряда. Применение жидких ракетных топ-лив в обычной наземной технике практически исключено по причине пожаро- и взрывоопаснос-ти компонентов, токсичности и дороговизны (примером могут служить гидразиновые топлива и гептил космических ракет). Но заметим, что при обязательном условии безопасности и дешевизны возможных энергонасыщенных композиций именно жидкая форма энергоносителя обеспечивала бы необходимую технологичность.
Продукты азотной промышленности
Большие объемы азотных соединений производит химическая промышленность в качестве удобрений для нужд сельского хозяйства (суммарно до 50 млн. т в год). Среди них можно отметить карбамид (мочевина С0^Н2)2 по ГОСТ 2081-92) и аммиачную селитру (АС) МН^03 (по ГОСТ 2-85). Свойства АС во многом уникальны: она является носителем как горючего компонента — «аммиачного» водорода (ЫН+), так и активного кислорода (в нитратных связях N0-). Кристаллы №Н^03, как и жидкая закись азота ^О, являются потенциально энергонасыщенным окислителем: при нагреве до 270 °С или взрыве аммиачная селитра экзотермически разлагается на свободный кислород и низкомолекулярные газы (<2 = 360 ккал/кг, Уиу= 980 л/кг):
= N2 + 2Н20-пар + 1/202.
В сравнении с воздушным окислителем {2^ + /02}, содержащим 23 % кислорода О2, кристаллы АС содержат чуть меньше свободного кислорода (20 %), но в твердой фазе №Н^03 с плотностью 1,7 г/см3 окислитель-О2 хранится в чрезвычайно «упакованном» виде, что экви-
валентно сжатию атмосферного воздуха с плотностью 0,0013 г/см3 в 1300 раз. Отсюда видно, что аммиачно-селитренные топлива типа «АС + + горючее» могут иметь даже более высокую работоспособность, чем смеси жидкого воздуха с органическими веществами (или воздушно-топливные аэрозоли при степени сжатия 700 по теоретическому циклу ДВС). Из термохимии известно, что «смеси АС + горючее» по энергонасыщенности эквивалентны пироксилиновым поро-хам ^ = 800-1000 ккал/кг, V = 850-1000 л/кг). В виде гранул и порошков такие смеси чувствительны к детонации и используются в горнорудной промышленности для приготовления смесевых ВВ с наименьшей стоимостью энергии взрыва. В то же время известно, что аммиачно-селитренные смеси при высокой плотности теряют способность детонировать. Например, в войну 1914-1918 гг. при остром дефиците бездымных порохов применялись прессованные смеси АС и угля (1,3 г/см3) в количестве 25-50 % от метательного заряда пороха в артиллерийских боеприпасах [7]. Известны твердые ракетные топлива на основе АС-окислителя. Недостатком аммиачно-селитренных топлив является гигроскопичность. Увлажненные или слежавшиеся смеси теряют свои первоначальные свойства. (Отсыревший дымный порох также теряет способность к воспламенению и горению при атмосферном давлении — «держи порох сухим!»).
Другим крупнотоннажным продуктом азотной промышленности является карбамид СО(МН2)2. В противоположность АС, карбамид — вещество горючей природы, поскольку он является носителем окисляемого водорода аминогрупп -№Н2 (и остатка СО). Карбамид — малокалорийное горючее вещество (теплота сгорания 2520 ккал/кг). Важным свойством АС и карбамида является их способность образовывать легкоплавкие эвтектические смеси, плавящиеся в сухом виде от 44 °С. Такие смеси весьма гигроскопичны и растворимы в воде, низших спиртах и некоторых полярных растворителях. Водные растворы карбамида и АС производятся в России как жидкие азотные удобрения КАС (ТУ 113-03-629-90); аналогичные смеси выпускаются и за рубежом. Поскольку растворы КАС содержат и окислитель-АС, и горючее-карбамид, они являются потенциально энергонасыщенными смесями. Однако присутствие воды-растворителя в наполненной смеси типа «АС + карбамид + вода» полностью исключает возможность горения или детонации во всем диапазоне соотношений АС/карбамид при обычной температуре. Нагрев растворов или плавов топливной стехиометрии АС/карбамид 80/20 с плотностью р = 1,4-1,5 г/см3 до температуры свыше 270 °С создает условия для экзотермической реакции газопревращения водонаполненных зарядов (для безводного расплава: Q = 840 ккал/кг, Vн = 970 л/кг):
3NH4NOз + га^)2 = Ш2 + 8^0^ + 4^.
В результате реакции образуются горячие сжатые газы (водяной пар Н20, азот N и диок-
сид углерода С02), работоспособность которых близка к показателям пороховых газов. При обычной температуре в присутствии растворимых катализаторов наблюдались режимы сгорания твердых растворов АС/карбамид 80/20 со скоростью 0,1-0,4 мм/с; при этом отходящие газы имели температуру около 800 °С (расчет изохорной температуры сгорания дает значения до Т1 = 2600 °С). С увеличением содержания карбамида сверх стехиометрии (20 %) в продуктах сгорания обнаруживаются горючие газы (Н2, СН4, СО) и аммиак (№Н3). Были найдены условия, при которых выход вредных окислов N0^ и СО в продуктах был на 2-3 порядка меньше их содержания в отработавших газах воздушно-тепловых ДВС.
В исследованиях фазовых равновесий водо-нитратных смесей были найдены рецептуры окис-лительсодержащих систем, характеризующихся минимальной температурой начала выпадения кристаллической фазы [12, 13]. Наиболее морозоустойчивые растворы-эвтоники могут быть приготовлены на недефицитном смешанном растворителе при содержании воды менее 20 % и температурой кристаллизации до -36 °С (и ниже).
Таким образом, используя недефицитные продукты азотной промышленности, можно производить окислитель-содержащие энергоносители с широким диапазоном физико-химических и эксплуатационных свойств: твердые и жидкие унитарные топлива, энергонасыщенные растворы, суспензии, эмульсии — по назначению синтетических моторных топлив, газогенераторных систем, источников рабочих и горючих газов.
Технико-экономические показатели азотных топлив
Рассмотрим технико-экономические характеристики таких водонитратных топлив. В настоящее время промышленный синтез азотных соединений основан на использовании первичного водорода, получаемого по технологии паро-газовой конверсии природного метана (СН4 + 2Н2О-пар = СО2 + 4Н2). При этом стоимость получаемых азотных компонентов в топливной смеси азотного энергоносителя составит около 200 $ за тонну (2006 г.); но за счет исключения операций гранулирования и упаривания растворов синтеза АС и карбамида стоимость исходных полупродуктов (плавов) для приготовления смесевых водо-нитратных топлив будет снижаться до 140 $ за тонну.
При использовании дешевой «ночной» электроэнергии от крупных ГЭС и возобновляемых ресурсов гелио-, ветроэнергетики сырьевая база азотных топлив станет полностью возобновляемой (атмосферные газы и вода). Кроме того, сегодня известны альтернативные схемы синтеза первичных оксидов азота в электрических аппаратах («сжиганием воздуха»). Рассматривая схемы синтеза и использования водо-нитратных топ-лив, можно видеть, что полный топливный цикл азотных энергоносителей (сырье - синтез - хранение - продукты сгорания) хорошо вписывается
в планетарный круговорот воды, азота и кислорода, по сути являясь новой разновидностью водородной энергетики.
Совместные растворы и плавы АС и карбамида по степени вредного воздействия на организм человека по ГОСТ 12.01.007 малоопасны (ПДК аэрозоля 10 мг/м3). Эксплуатационная безопасность водонитратных топлив выше, чем бензина, горючих газов и особенно — водорода. Растворы и плавы КАС в условиях применения стабильны при хранении и неспособны к выделению пожароопасных или взрывчатых веществ. Высокая гигроскопичность водонитратных топлив исключает возможность их самопроизвольного высыхания с испарением воды и образованием горючей или взрывчатой смеси во всех климатических зонах планеты.
В результате реакции газопревращения азотных топлив не образуется токсичных продуктов. Этому способствует также молекулярная гомогенизация реагирующих компонентов в жидкой фазе. Азотное топливо и образующиеся газы не содержат серы и токсичных углеводородов; в продуктах сгорания практически отсутствуют окислы азота. В связи с тем, что доля углерода в топливной массе смесевых азотных энергоносителей не превысит 4-8 % (в нефтяном топливе 86-87%), выделение диоксида углерода СО2 как парникового газа будет значительно меньше. Благодаря высокой термодинамической эффективности «порохового» цикла по сравнению с показателями существующих воздушно-тепловых ДВС количество тепловых выбросов от транспорта будет меньше (до 2 раз).
Азотные топлива могут храниться в стальных, алюминиевых и пластиковых емкостях, исключены только цветные металлы (медь, цинк, свинец, латунь) ввиду их коррозии.
В целом использование азотных топлив может рассматриваться как разновидность технологий водородной энергетики. Основной продукт сгорания азотных топлив — вода. Доля энергии, приходящаяся на топливную пару Н2/О2, составляет до 80-90 % полного энерговыделения реакций сгорания. Концентрация водорода как горючей составляющей, обеспеченной окислителем в молекулярной упаковке топливной смеси плотностью 1,4-1,5 г/см3, аналогична содержанию жидкого (криогенного) водорода того же объема.
Технологические варианты использования азотных топлив
Теперь рассмотрим технические особенности получения механической энергии при использовании азотных топлив. Азотные энергоносители могут использоваться в поршневых, роторных и газотурбинных двигателях. Однако такие двигатели должны быть адаптированы к особенностям азотных топлив. Впрочем, это не исключительная особенность азотных топлив: бензиновые, дизельные, газовые двигатели также имеют свои особенности, характерные для используемого вида топлива. Остановимся на поршневых двигателях.
При использовании сбалансированных по кислороду плавов топливных стехиометрий или их растворов может быть применен двухтактный цикл без впуска воздуха. Подобный цикл используется, например, в поршневых двигателях морских торпед. Более широкие возможности по диапазону рабочих температур и хранению топлива в жидкой фазе имеют водно-солевые и водно-аммиачные растворы-эвтоники азотных компонентов. В этом случае топливная масса будет содержать 2-4-кратный избыток горючих веществ (без использования специальных компонентов). Здесь должен применяться двухтактный цикл с впуском и сжатием воздуха, но количество воздуха в таком случае требуется меньшее (до 10-15 раз) по сравнению с подобными циклами на нефтяном топливе, так как часть окислителя содержится в топливной смеси. Следовательно, затраты энергии на предварительное сжатие воздуха для сжигания окис-лительсодержащих азотных топлив будут меньшими. Учитывая, что для быстрого разложения топливного окислителя-АС необходима температура не менее 300 °С, а объем цикловой дозы и теплоемкость азотных топлив выше, чем нефтепродуктов по дизельному циклу, теплоты сжатого воздуха может быть недостаточно для запуска двигателя. Поэтому в пусковом режиме необходимо применять подогреваемую камеру термолиза. Для этого применимы свечи накаливания. В режиме установившейся работы двигателя камера термолиза разогревается за счет теплоты реакций сгорания. С учетом потенциальной энергонасыщенности азотных топлив возможны технические решения организации запуска двигателя без впуска и сжатия воздуха.
Расширение газов в цилиндре «воздушно-порохового» ДВС целесообразно более полное, до давления выпуска, близкого к атмосферному. Расчеты показывают, что при параметрах сжатия и сгорания, близких к показателям обычных воздушно-тепловых ДВС, термический КПД «воздушно-порохового» цикла может достигать до 80-85 %.
Теплонапряженность двигателя на водо-нит-ратных топливах будет существенно ниже ввиду меньших температур процесса (в 1,5-2 раза) по сравнению с обычными ДВС на нефтяном топливе. В связи с этим целесообразен отказ от системы жидкостного охлаждения ДВС: необходимый уровень температуры стенок цилиндров обеспечит организация воздушного охлаждения. Соответственно, потери теплоты будут меньшими, а индикаторный КПД цикла ожидается на уровне 70-75 %.
Водонитратные растворы не допускают контакта топлива с маслом в связи с возможностью эмульгирования и старения масел, с потерей ими смазывающих свойств. Поэтому кинематическая схема двигателя должна предусматривать крейц-копфный узел в механизме преобразования движения и отделение цилиндра от картера двигателя. В качестве такого варианта может применяться кривошипно-кулисный механизм преобразования
движения с линейным движением штока поршня, отделением цилиндра от масляного картера и использованием подпоршневого объема в качестве продувочного насоса в двухтактном цикле. Уплотнение поршня в цилиндре может быть сухим с применением компрессионных колец из железо-графита.
В качестве механизма газораспределения применима клапанно-щелевая схема с выпуском отработавших газов через клапаны в головке цилиндра и впуском продувочного воздуха через окна в средней части цилиндра с поворотной гильзой.
Учитывая особенности кривошипно-кулисно-го механизма, обладающего более высоким механическим КПД по сравнению с традиционным кри-вошипно-шатунным механизмом, эффективный КПД двигателя на азотных топливах может быть близок к 70 %, что примерно в 2 раза выше, чем для бензиновых или дизельных двигателей.
Все отмеченные конструктивные особенности двигателя технически реализуемы и позволяют выполнить такой двигатель для использования в нем азотных топлив по обычным машиностроительным технологиям.
Следует учитывать, что по объемному расходу азотного топлива двигатель будет уступать показателям расхода горючего нефтяных ДВС до 2-2,5 раз. Это может отразиться на емкости топливных баков на автомобиле, но не более. Стоимость единицы механической энергии, произведенной с использованием азотных топ-лив, по сравнению с экплуатационными расходами на нефтяные моторные топлива будет снижаться примерно в 3 раза (при существующих мировых ценах на бензин около 1500 $/т или 1,1 $/л).
Азотное топливо должно рассматриваться как новое направление в получении и использовании альтернативных, возобновляемых и экологически чистых энергоносителей применительно для автомобильного, железнодорожного, речного, морского транспорта, а также для электроэнергетики (в основном для автономных и локальных энергоустановок), для привода дорожно-строительных и подъемно-транспортных машин и механизмов, для привода двигателей механизмов в шахтах и гор-
ных выработках, для снабжения сжатым газом пневматического инструмента и механизмов. Но учитывая, что в современных условиях автомобильный транспорт является основным потребителем энергии химических топлив, именно автомобильная промышленность может и должна одной из первых освоить применение этого перспективного топлива.
Список литературы
1. Конфедератов И. Я. История теплоэнергетики. М.: Госэнергоиздат, 1954.
2. Шпанов Н. Рождение мотора. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1934.
3. Радциг А. А. История теплотехники. АН СССР, 1936.
4. Хоффман Е. Энерготехнологическое использование угля. М.: Энергоатомиздат, 1983.
5. Сейтбеков Л. С., Нестеров Е. Б., Некрасов В. Г. Микробиологическая анаэробная конверсия биомассы. Алматы: Эверо, 2005.
6. Сакенов М. Биоэнергетика // Промышленность Казахстана. 2004. № 6. С. 26-30.
7. Кук М. А. Наука о промышленных взрывчатых веществах. М.: Недра, 1980. С. 13-14.
8. Горст А. Г. Пороха и взрывчатые вещества. М.: Оборонгиз, 1949. С. 178, 194, 197.
9. Дубнов Л. В., Бахаревич Н. С., Романов А. И. Промышленные взрывчатые вещества. М.: Недра, 1988. С. 279.
10. Сарнер С. Химия ракетных топлив. М.: Мир, 1969. С. 307.
11. Ландау Л. Д. // ЖЭТФ. 1944. №14.
12. Макаров А. Ф., Трунин А. С. Перспективные системы для изучения фазовых равновесий водо-нитратно-смесевых топлив // Тр. 5-й Международ. конф. молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки». Ч. 12 «Физико-химический анализ». Самара, 2004. С. 130-136.
13. Макаров А. Ф., Трунин А. С. Исследование водо-нитратных топлив как нового направления энергетики на возобновляемых ресурсах // Тр. 1-го Международ. форума (6-й Международ. конф. молодых ученых и студентов) «Естественные науки». Ч. 19 «Альтернативные энергоносители на возобновляемых ресурсах». Самара, 2005. С. 5-10.
Официальный сайт Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология»
> Электронные версии журналов > Аннотации и рефераты статей > Содержание номеров > Новостная информация > Рекламная информация
> Информация для читателей > Информация о подписке
> События, совещания, конференции > Отзывы, пожелания
> Биографии членов редколлегии > Конкурсы редколлегии > Другая информация
http://isjaee.hydrogen.ru
