Spalanie detonacyjne - czy to się opłaca?

Transkrypt

1 Spalanie detonacyjne - czy to się opłaca? Mgr inż. Dariusz Ejmocki

2 Spalanie Spalanie jest egzotermiczną reakcją chemiczną syntezy, zdolną do samoczynnego przemieszczania się w przestrzeni wypełnionej substratami. Wywiązywanie się ciepła i zdolność do propagacji jest, więc, w myśl tej definicji, istotną cechą wyróżniającą proces spalania wśród innych zwykłych reakcji.

3 Spalanie stukowe zjawisko nieprawidłowego, nierównomiernego, wybuchowego spalania paliw w silnikach tłokowych o zapłonie iskrowym - spalanie deflagrcyjne Spalanie detonacyjne - płomień rozprzestrzenia się względem spalin zawsze z prędkością naddźwiękową, a względem gazu przed czołem płomienia również zawsze z prędkością naddźwiękową rzędu 10 3 m/s.

4 Możliwe są dwa różne zasadniczo rodzaje spalania: Deflegracja, gdy płomień rozprzestrzenia się względem spalin zawsze z prędkością poddźwiękową, a względem gazu przed czołem płomienia z poddźwiękową lub naddźwiękową, oraz Detonacja, gdy płomień rozprzestrzenia się względem spalin zawsze z prędkością naddźwiękową, a względem gazu przed czołem płomienia również zawsze z prędkością naddźwiękową rzędu 10 3 m/s.

5 1. Detonacja jest naddźwiękowym spalaniem, 2. Jest falą uderzeniową w połączeniu ze strefą reakcji chemicznej. 3. Fala uderzeniowa spręża i podgrzewa gazy, które gwałtownie reagują po okresie inicjacji. 4. Energia uwolniona przez reakcję chemiczną wyzwala dużą objętość spalin i napędza falę uderzeniową. 5. Samo-podtrzymanie fali detonacyjnej charakteryzuje się silnym sprzężeniem fali uderzeniowej i strefy reakcji.

6 Rozwój i przebieg detonacji w rurze

7 Zdjęcia smugowe procesu rysowania struktury detonacji w kanale (A.K. Oppenheim)

8 Krzywa Rankine a Hugonota

9 Opis rozprzestrzeniania się fali detonacyjnej w rurze Czoło fali uderzeniowej koniec obszaru reakcji

10 Parametry gazu przed czołem płomienia są oznaczone indeksem 1, a za czołem - indeksem 2. Do obszaru gazu przed i za czołem płomienia można zastosować trzy zasady: - zachowanie masy - zachowanie pędu - zachowania energii Gdzie: Q ciepło wydzielone w wyniku spalania na jednostkę masy gazu.

11 Zdjęcie smugowe frontu detonacji

12 Struktura detonacji zarejestrowana na warstwie sadzy

13 Dlaczego spalanie detonacyjne? Sprawności dla obiegów Barytona, Humphrey i Fickett- Jacobs Paliwo Baryton Humphrey Fickett-Jacobs Wodór H2 36,86% 54,35% 59,26% Metan CH4 31,42% 50,49% 53,22% Acetylen C2H % 54,07% 61,37%

14 Podsumowanie - Obieg Humphrey (Otto) jest podobny do obiegu Barytona, z wyjątkiem tego, że spalanie występuje przy stałej objętości a nie przy stałym ciśnieniu - Fickett-Jacobs (FJ) cykl zwiększa efektywność cieplną w stosunku do zwiększenie kompresji - Całkowita entropia maleje wraz ze wzrostem ciśnienia spalania, zwiększa efektywność obiegu cieplnego wraz ze wzrostem współczynnik kompresji. - Detonacja generuje niższy wzrost entropii całkowitej. Dla tego samego stopnia sprężania największa sprawność jest dla obiegu FJ - Detonacja ma większy potencjał do generowania większej pracy mechanicznej niż spalanie przy stałym ciśnieniu lub spalania przy stałej objętości, a zatem wydaje się być bardziej efektywny proces spalania.

15 Silnik wykorzystujące spalanie detonacyjne Pulsed Detonation Engine Rotation Detonation Engine

16 PDE zasada działania Pulsed Detonation Engine

17 ZALETY: prosta i zwarta konstrukcja brak ruchomych części PDE zasada działania większa sprawność termodynamiczna (spalanie quasi-izochoryczne ) w porównaniu do silników odrzutowych(spalanie przy stałym ciśnieniu) WADY: duży hałas wibracje pulsacyjny charakter pracy niska częstotliwości pracy (ok.50hz)

18 Rotation Detonation Engine Wirująca fala detonacyjna w kanale (z prędkością rzędu 10 3 m/s), generuje duże siły odśrodkowe a siły bezwładności powodują odrzut spalin na zewnątrz kanału i zasysanie świeżej mieszaniny do komory i ponowne jej napełnienie przed kolejnym przybyciem fali detonacyjnej (zbędny staje się wyrafinowany układ zasilania).

19 ZALETY: prosta i zwarta konstrukcja brak ruchomych części większa sprawność termodynamiczna RDE (spalanie quasiizochoryczne) w porównaniu do silników odrzutowych (spalanie przy stałym ciśnieniu) w porównaniu do silnika PDE (ok. 50Hz) większa częstotliwość (pracy rzędu khz) WADY: duży hałas (ale mniejszy ni w silniku PDE) wibracje pulsacyjny charakter pracy (ale częstotliwość pracy dużo wyższa niż w PDE, rzędu khz)

20 Więcej informacji można znaleźć na stronie Dziękuję za uwagę