Делай, что должно и будь, что будет.

Задача состоит не в том, чтобы скрупулёзно и детально объяснять научные ошибки, а в том, чтобы не повторять их.

Процесс с Повторным Использованием Тепла.        ПИТ процесс.

© 2018 г. Пасечный В.П.¹

Рассматривается рабочий процесс для тепловых двигателей с бесконечной дискретной переходной характеристикой при включении. Показано, что предельный КПД   двигателя, работающего по этому процессу, равен единице по высшей теплотворной способности топлива. Увеличение КПД происходит за счёт увеличения массы рабочего тела (РТ) в результате повторного использования тепла РТ после полного расширения. Для того, чтобы тепло предыдущих тактов использовать в последующих тактах вводится энергетическое хранилище с дополнительным рабочим телом (ДРТ). Наличие хранилища позволяет приостановить процесс на любом такте и впоследствии продолжить его со следующего такта, так что бесконечность переходной характеристики не увеличивает время пуска двигателя.

Ключевые слова: ПИТ процесс, беснарный процесс, комбинированные ДВС, утилизационный парогенератор.

Актуальность.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС), составляя основу мобильной энергетики, являются главными потребителями ископаемого топлива и основным источником загрязнений окружающей среды.

Для решения проблем энергоэффективности и экологической безопасности двигателей необходимо, прежде всего, увеличить в 2-3 раза эксплуатационный КПД транспортных силовых установок (СУ) и перевести их на питание природным газом или водородом.

¹ Владимир Петрович Пасечный – к.т.н., passvp2@yahoo.ca, 29.05.2018

 Повышение эксплуатационного КПД способствует пропорциональному снижению вредных выбросов, а также уменьшению габаритных размеров бортового запаса топлива, что особенно актуально для газомоторного топлива, имеющего существенно меньшую плотность даже в сжиженном состоянии [17].

Рассматриваемый процесс может быть практически реализован разными устройствами, которые, тем не менее, должны иметь ряд общих свойств. ПИТ процесс может быть реализован в адиабатном [1] ДВС, охваченном петлёй обратной связи, включающей Утилизационный Котёл. В прямой ветви влажный воздух засасывается в адиабатный цилиндр и частично сжимается. После этого в цилиндр впрыскивается холодный метан (пропан, бензин и т.д.) и получившаяся смесь дожимается до получения нужного коэффициента сжатия. Смесь сгорает и одновременно расширяется. Законы сгорания и расширения считаются известными[2,3,4,6,7]. После частичного расширения в камеру впрыскивается перегретый пар, и расширение продолжается до заданного давления, близкого к атмосферному. Выхлопные газы используются для получения перегретого пара в котле – утилизаторе. Полученный пар впрыскивается в камеру сгорания за счёт того, что давление пара превосходит давление газов в камере сгорания. Использование тепла выхлопных газов предполагается максимально полным, или, как принято говорить, глубоким[9,11].

Предельная модель ПИТ процесса

Представим себе некоторую адиабатную оболочку, к которой подводятся продукты способные сгорать. Из оболочки выводятся механическая энергия и продукты сгорания. Можно ли считать, что энергия входных продуктов до начала сгорания и энергия выходных продуктов равны? Если на этот вопрос ответить: да, можно, то это будет равносильно утверждению о том, что вся подводимая тепловая энергия может быть превращена в механическую форму (КПД = 1).

Широко известны термины: монарная, бинарная, тринарная и т.д., применяемые к энергоустановкам, и намекающие на количество ступеней переработки тепла[12,8]. Встречается термин: вторичное использование тепла, пересекающийся по смыслу с термином бинарная. Известно, что КПД энергоустановки возрастает с ростом числа ступеней. Бинарная энергоустановка эффективней монарной, тринарная эффективней бинарной и т.д. Адиабатная установка с бесконечным числом ступеней будет иметь КПД равный единице на том основании, что энергия, отводимая из оболочки в виде тепла, может быть сделана меньше любого наперёд заданного значения путём добавления ещё одной ступени. Назовём такую установку бесконечно-нарной (для краткости будем употреблять слово: беснарная). Процесс, который реализуется в беснарной установке, будем называть беснарным процессом (рис1).

T – тепловая энергия;

М- механическая энергия;

D_i – тепловой двигатель;

Рис 1. Беснарная установка.

Установка Рис.1 в силу бесконечного числа ступеней напрямую физически не реализуема, но её процесс (беснарный процесс) может быть реализован в конечном виде в установке с обратной связью, представленной на рисунке 2.

Z^-1- обозначает задержку на один такт;

1- Сумматор;

2- Двигатель с термодинамическим КПД q_i, где i- номер такта от момента включения двигателя;

3- Котёл-утилизатор (КУ). Полная утилизация.

Рис.2- Беснарный процесс, как процесс с обратной связью.

На Рис.2 уровни мощностей представлены в нормированном по отношению к теплосодержанию входного топлива, то есть входная мощность принята равной единице.

Мощность на выходе при 0<q_i≤1 представляет собой монотонно нарастающую, бесконечную функцию, имеющую в качестве предела значение равное входной мощности^**:

                     _{( 1 )}

Это выражение равносильно утверждению, что беснарная установка имеет КПД равный единице при i = ∞ независимо от термодинамического КПД (q_i) двигателя. Назовём это установившееся, предельное состояние ПИТ процессом (процессом с Повторным Использованием Тепла) и рассмотрим его более внимательно.

НА вход подаётся порция рабочего тела, теплосодержание которой принято за единицу. К нему добавляется ещё рабочее тело в таком количестве, чтобы механическая работа двигателя была равна теплосодержанию входного рабочего тела. Теплосодержание отработанных газов двигателя равно теплосодержанию рабочего тела, добавленного на входе. Тепло, отведённое от двигателя используется повторно.

 ПИТ процесс описывается уравнением для прямой ветви и уравнением для ветви обратной связи:

                                  (2)

Где: x – входная мощность; y – мощность в петле обратной связи, циркулирующая мощность;              K - КПД установки.

Из второго уравнения найдём              (3)     

Подставив у в первое уравнение, получим: K = 1, что подтверждает уже полученный результат.   Из (3) видим, что термодинамический КПД определяет соотношение между мощностью двигателя и требуемой для получения предельного КПД циркулирующей мощностью. Это отношение представлено в нижеследующей таблице 1.

qi	0.2	0.4	0.5	0.6	0.8
y/x	4	1.5	1	0.67	0.25

Требуемая циркулирующая мощность растёт при уменьшении термодинамического КПД. Рост циркулирующей мощности, который сопровождается ростом массогабаритных характеристик, является той платой, которую приходится нести за получение нужного КПД. Польза от увеличения термодинамического КПД q_i не является самоцелью и состоит в том, что это позволяет уменьшить циркулирующую мощность и как следствие облегчить решение проблемы массогабаритных характеристик.

Элемент задержки Z^-1 может быть реализован различным образом, но мы будем иметь в виду, что он реализован как энергохранилище, в которое в любое время может быть добавлена энергия, поступающая из КУ, и из него же может быть извлечена в нужное время и передана в сумматор. Для того, чтобы система была работоспособна достаточно, чтобы время хранения было больше длительности одного такта.

 Установка Рис.2 также, как и установка Рис.1, имеет бесконечное время пуска и останова, что при практической реализации не всегда удобно. Если время хранения в энергохранилище существенно увеличить так, что его можно считать неограниченным, то процесс можно будет остановить и продолжить (запустить) в течение одного такта.

Реальная модель ПИТ процесса.

При практическом выполнении ДУВС следует правильно оценить количество тепла, превращаемого в механическую форму, а также потери при преобразовании механической энергии поршня в электроэнергию.

Потери тепла. Потери тепла можно учесть, если ввести действующую теплотворную способность топлива:

                        ДТС = ТС * К_т * К_а* К_с* К_д;         где все К меньше единицы.

ТС – теплотворная способность топлива;

К_т – массовое содержание действующего вещества в реальном топливе. Например, для природного газа К_т должно учитывать уменьшение метана за счёт присутствия азота, гелия, углекислого газа, воды и др.

К_а- коэффициент адиабатности, учитывает потери тепла за счёт неадиабатности оболочек, локализующих рабочее тело;

К_с- коэффициент сгорания, характеризует неполноту сгорания топлива;

К_д – коэффициент диссоциации, оценивает потери тепла за счёт диссоциации компонент отработавших газов.

Рассмотрим вопросы практической реализации ПИТ процесса. Для этого разделим потери тепла в ДУВС на возвратные и невозвратные. Такое разделение необходимо потому, что как показано выше идеализированный ПИТ процесс не создаёт потерь известных как термодинамические потери. Термодинамический КПД ведёт к возвратным потерям. В случае не идеализированного ПИТ процесса ситуация усложняется и требует более внимательного рассмотрения.

После того как потери тепла и механической энергии учтены остаётся учесть ещё неравенство единице коэффициента рекуперации [15] котла утилизатора. В этом случае второе уравнение в (2) будет иметь вид:

K_p*(x +y)*(1 - q_∞) = y;                             (4)

 где K_p – коэффициент рекуперации КУ.

Из уравнения (4) находим циркулирующую мощность (5), представленную в виде графиков на рис 3:

y = K_p*x *(1 - q_∞)/(1 - K_p *(1 - q_∞));                                                   (5)

Рис 3 – зависимость циркулирующей мощности от коэффициента рекуперации.

Подставляя значение y в первое уравнение из (2) получим значение для КПД ПИТ процесса при произвольном коэффициенте рекуперации (6), представленном на рис 4.

K = q_∞* (1 + K_p*(1 - q_∞)/(1 - K_p + K_p * q_∞);                (6)

Рис 4 – Зависимость КПД ПИТ процесса от коэффициента рекуперации КУ.

Хотя ПИТ процесс позволяет получить единичный КПД установки при любом термодинамическом КПД, это вовсе не означает, что термодинамический КПД не надо повышать. Повышение q_∞ позволяет ослабить требования к коэффициенту рекуперации и уменьшить циркулирующую мощность.

Заключение

Разработке адиабатных двигателей было и продолжает уделяться большое внимание. Однако, это не приводило к критическому увеличению КПД двигателя. Внедрение ПИТ процесса в адиабатный двигатель решает эту проблему.

Предложен ПИТ процесс, открывающий возможность и показывающий пути глубокого преобразования тепла в механическую форму, снимающий термодинамические ограничения и открывающий новую парадигму разработки ДВС, обещающую существенный, качественный прорыв в повышении КПД.

Когда топливная эффективность является определяющим требованием для двигателестроения, существует другая парадигма разработки, когда традиционные способы увеличения эффективности (увеличение сжатия, сжигание при постоянном объёме, дизельность [6,10]) уходят на второй план, а увеличение коэффициента рекуперации КУ становится определяющим.

Возможность повысить КПД в разы, а не на единицы процентов позволяет считать, что ПИТ процесс может стать основой создания прорывной технологии в углеводородной энергетике [5,17].

Литература.

1.Устройство адиабатного двигателя Патентный поиск, поиск патентов на изобретения - FindPatent.RU 2012-2017. http://www.findpatent.ru/patent/254/2541490.html

2. Косарев А.В. КОНВЕЙЕРНЫЕ РЕГЕНЕРАТОРЫ – ШАГ К НОВОМУ КАЧЕСТВУ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ.

3. http://libraryno.ru/9-3-regenerativnyy-cikl-teplotexnikavinogradov/ - Теплотехника / 9.3. Регенеративный цикл.

4.  Лефёров А.А., Куприянов Н.Д.  Актуальность и проблемы совершенствования цикла ДВС применением непосредственного впрыска воды. УДК 621.432 Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 39 http://trudymai.ru/upload/iblock/457/aktualnost-i-problemy-sovershenstvovaniya-tsikla-dvs-primeneniem-neposredstvennogo-vpryska-vody.pdf

5. М.В. Афанасьева. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ РАЗВИТИЯ КОРПОРАТИВНОГО СЕКТОРА МИРОВОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА. Диссертация.  2015.  http://picxxx.info/pml.php?action=GETCONTENT&md5=e8372978ca4e067ddd5e082ae901c884

6. Ковылов  Ю. Л. Теория рабочих процессов и моделирование процессов  ДВС.

7. ДВС с аккумулятивным предварительным расширением рабочего тела.

№ 2 (98) 2015 12 Александр Фроимович Равич, к. ф/м. н., Вячеслав Николаевич Опрышко, профессор, к.т.н., д фил. н., ФГОУ ВПО Саратовский Гос. Аграрный ун/т им. Н.И.Вавилова Сергей Николаевич Богданов, профессор, д.т.н., Моск. автомобильно/дорожный гос. техн. университет, (МАДИ)  www.dvigately.ru

8. Арсеньев Л. В., Тырышкин В. Г. А85 Комбинированные установки с газовыми турбинами. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982 г.—247 с, ил.

9. Паровой фантом топлива: 6-тактный двигатель Кроуэра http://www.popmech.ru/technologies/7664-parovoy-fantom-topliva-6-taktnyy-dvigatel-krouera/

10. http://www.reaa.ru/cgi-bin/yabb/YaBB.pl?num=1327475916/1350  пост 1361

11. Выбор определяющих параметров комбинированного дизеля с системой вторичного использования теплоты Марченко Андрей Петрович 1984г. http://www.dslib.net/teplo-dvigateli/vybor-opredeljajuwih-parametrov-kombinirovannogo-dizelja-s-sistemoj-vtorichnogo.html

12. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА МАЛЫХ ОТКЛОНЕНИЙ ДЛЯ АНАЛИЗА

ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРИНАРНЫХ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

А.М. Антонова, А.В. Воробьев, А.С. Матвеев, А.С. Орлов Томский политехнический университет E-mail: anton@tpu.ru

13.Проект энергетической стратегии России на период  до 2035 года. http://www.energystrategy.ru/ab_ins/source/PR_11.03.2014.pdf

14. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. И.С. Градштейн, и И. М. Рыжик. М. 1971.

15. Коэффициент рекуперации при теплообмене Пухов Алексей Вячеславович, технический директор компании «Тропик Лайн. МИР КЛИМАТА №101 (2017)

16. «ВСЕЯДНЫЙ» ДВИГАТЕЛЬ Диаграмма возможных режимов работы комбинированных энергоустановок Н.А. Иващенко, доктор техн. наук, МГТУ им. Н.Э.Баумана, П.П. Петров, канд. техн. наук, МГТУ им. Н.Э.Баумана. http://www.mashin.ru/files/el.versiya/avto_gazo_zapravochnyj_kompleks/2009/AGZK4_2009.pdf

17. В.В. Саенко ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ В ПРОЕКТЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СТРАТЕГИИ РОССИИ НА ПЕРИОД ДО 2035 ГОДА, л36 http://www.energystrategy.ru/editions/docs//EP_6_14.pdf

** Докажем, что для       0<q_i≤1     

Допустим, что q_i = q, то есть не меняется при изменении индекса. Тогда в соответствии с формулой 0.231(1) из [14]  для любого q из нашего диапазона значений. Теперь представим континуальное множество кривых   для 0<q<=1. Каждая  из этих кривых является монотонно возрастающей функцией, имеющей единицу в качестве предела. При вычислении M каждый очередной член суммы будет вычисляться с использованием другой M(i), но так как все эти функции имеют один и тот же предел, этот общий предел и будет пределом искомой суммы. Что и требовалось доказать.