Введение: от дефлаграции к детонации – смена парадигмы в энергетике и технологиях
Современная цивилизация исторически основана на процессах дефлаграционного (медленного) горения – от первых костров до современных газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания.
Однако физические ограничения этого процесса заставляют искать более эффективные альтернативы. Детонационное горение, характеризующееся сверхзвуковым распространением ударной волны с фронтом горения, представляет собой качественно иной подход, способный революционизировать множество технологических процессов.
Всем известно, что детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, температура горения достигает 3000 С.
Согласитесь – довольно заманчивые температурные и скоростные характеристики для целей использования в промышленном производстве.
Считается, что детонационная труба, это безальтернативный вариант. Что в такой трубе для определённых геометрических характеристик достаточно сформировать определённую стехиометрическую топливовоздушную смесь, инициировать высокоэнергетическую волну детонационного горения, повторить процесс и это предел развития.
Оказывается, что все намного сложнее, заманчивее и интереснее. Предлагается подробное исследование в области источников управляемых волн детонационного горения для промышленности, основанное на многолетних авторских разработках и экспериментах.
Детально рассматриваются сами источники волн детонационного горения, их классификация, конструктивные особенности, достоинства и недостатки.
Накопленный эмпирический материал и теоретические изыскания легли в основу предлагаемой рациональной классификации детонационных источников энергии, охватывающей как существующие, так и потенциальные будущие разработки. В книге представлены оригинальные конструктивные решения и результаты опытно-конструкторских работ, выходящие за рамки общепринятых представлений о детонационных устройствах.
1. Начало.
В 80-х годах прошлого века обратил внимание на одну интересную идею полусферического реактивного двигателя, автором которой являлся руководитель авиамодельного кружка дворца пионеров г. Благовещенска Попов Николай Иванович. Такой двигатель он планировал применить для привода лопастей вертолёта в качестве альтернативы прямоточному реактивному двигателю, который на относительно малых скоростях мало эффективен и не экономичен.
Схематически такой полусферический реактивный двигатель представлен на рис. № 1.
Рис. № 1. Полусферический реактивный двигатель, предложен Поповым Николаем Ивановичем.
Основа двигателя – стальная полусфера. Полусфера по диаметру окружена кольцевым соплом, которое заканчивается воздухозаборником. Посредине полусферы – топливная форсунка.
На основании идеи Попова Николая Ивановичя, в 1999 году компании МАККИНЗИ была предложена простейшая конструкция дозвуковой дефлаграционной радиально-аксиальной горелки согласно рис. № 2 для проведения опытно-конструкторских работ (ОКР) в нагревательном оборудовании.
МАККИНЗИ в те времена занималась оптимизацией, в том числе и нагревательного оборудования одной металлургической компании РФ.
Рис. № 2. Полусферическая дефлаграционная газовая горелка
Предполагалось, что такая конструкция горелки более эффективно будет сжигать топливовоздушную смесь. Уменьшится расход газа.
Такое заключение основывалось на простом явлении, которое известно, но до конца не объяснено. Если взять обычный баллон со сжатым воздухом и пустить через кольцевое сопло в фокус полусферы, то на выходе энергетические характеристики потока вырастут процентов на 10.
Предположительно это связано с следующими друг за другом волнами сжатия и разряжения. На крутильных весах этот эффект проявляется небольшим увеличение силы тяги.
В конструктивном плане основа горелки, это стальная полусфера. Полусфера по диаметру окружена кольцевым соплом, которое заканчивается воздухозаборником. Посредине полусферы – газовая форсунка. В такой схеме прослеживается простая зависимость эффективности работы горелки от:
– расхода газа,
– расхода воздуха,
– проходного сечения сопла.
Опытно-конструкторские работы по проверке идеи можно было достаточно просто организовать.
Газ смешивается с воздухом в полусфере в момент его радиального сжатия в фокус. Происходит поджог готовой топливовоздушной смеси. Формируется направленная дозвуковая волна дефлаграционного горения топливовоздушной смеси. При покидании полусферы в ней формируется разряжение, в которое подаётся газ и воздух. Далее цикл повторяется.
Предположения:
1. Предполагалось, что за счёт вышепоименованного явления тепловая эффективность горелки увеличится на 10%.
2. Предполагалось, что за счёт пульсирующего сгорания газа его потребление снизится минимум на 10 %.
К сожалению заявленная идея в 1999 году не получила дальнейшего развития, т.к. МАККИНЗИ сочла идею – околонаучным бредом!
Дальнейшие опытно-конструкторские работы проводились уже собственными силами для целей подтверждения заявленных выше предположений.
Рис. № 3. Внешний вид дефлаграционной полусферической горелки.
Тестировалась одна горелка (см. рис. № 3), в двух ниже поименованных режимах при одинаковом расходе воздуха и газа. Особенность работы заключается в том, что пульсации в заявленной горелке начинают проявляться только с определённого значения уровня расхода первичного воздуха горения.
Такое значение в экспериментах для ниже поименованных случаев было выбрано одинаковым.
Т.е. можно сказать, что при относительно небольшой скорости радиального истечения воздуха из сопла не происходит повышение давления в фокусе сферы до уровня формирования следующих друг за другом волн сжатия и разряжения, и как следствие, горелка превращается в классическую проточную горелку с худшими характеристиками, связанными с дополнительными потерями на поворот воздушного потока на 90 градусов. Для недопущения такого режима нужно регулировать скорость потока.
Режим 1.
Классический прямоточный подвод воздуха горения (режим работы классической прямоточной горелки). Воздушное кольцевое сопло имеет проходное сечение, не формирует строго радиальный поток. Формируется аксиальный воздушный поток для смешивания с газом согласно классике прямоточных современных горелок.
Режим 2.
Радиальный подвод воздуха горения (режим работы заявленной аксиально-радиальной горелки). Воздушное кольцевое сопло имеет проходное сечение, которое формирует радиальный поток с последующим формированием волн сжатия/разряжения в фокусе сферы. Замечание – пульсации начинают проявляться только с определённого значения уровня расхода первичного воздуха горения.
Результаты экспериментов подтвердили все заявленные выше предположения.
В последствии конструкция горелки была незначительно доработана. Это было связано с местом подвода газа и воздуха для использования в каком – либо специальном технологическом процессе производства.
Варианты исполнения газовой горелки с центральным подводом газа представлен на рис. № 4.
Рис. № 4. Полусферическая дефраграционно-резонансная газовая горелка.
Если для технологических целей нужен ввод в фокус полусферы дополнительных мелкодисперсных продуктов, например, для пиролиза и т.п., то конструктивное исполнение дефлаграционно-резонансной горелки представлено согласно рис. № 5.
Рис. № 5. Полусферическая дейфлаграционно-резонансная горелка с дополнительным вводом в фокус горения различных веществ.
Варианты дефлаграционного горения в зависимости от режимов работы горелки представлены на рис. № 6
Рис. № 6. Варианты дефлаграционного горения в зависимости от режимов работы горелки
К сожалению такие типы дефлаграционно-резонансных горелок не получили дальнейшего развития по объективным причинам.
Эффективность дозвуковых горелочных устройств в любом случае ограничена физическими законами дозвукового горения.
Это значит, что заявленная дефлаграционно-резонансная горелка хоть и более эффективна, чем классические горелки различных конструктивных исполнений (вихревые, полно проточные и т.п.), но в любом случае ограничена физическими законами дозвукового горения.
Выход один! Нужно переходить от дозвукового горения к сверхзвуковому управляемому детонационному горению.
Таким образом в 1999 году благодаря некомпетентности сотрудников компании МАККИНЗИ в этом вопросе была заложена основа предлагаемого в настоящее время нового детонационного технологического тренда в промышленности.
Примечание
Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.
Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]
2 Рациональная классификация
Предлагается рациональная классификации существующих и будущих детонационных источников энергии, которые только разрабатываются или ещё не придуманы для использования в различных технологических процессах промышленного производства.
В структуре рациональной классификации заложены векторы возможного направления развития таких идей.
Такая классификация позволит оценить конструктивные исполнения, технически возможности, достоинства и недостатки различных типов детонационных источников энергии и увидеть вектор возможного дальнейшего развития.
Классификация основывается с учётом следующих признаков:
Геометрические признаки. Характеризуют формы камер, в которых происходит детонационное горения топливовоздушной смеси. Все детонационные источники энергии по данному признаку разделяются на:
– Детонационные источники энергии цилиндрической формы
– Детонационные источники энергии с полусферическим резонатором .
Детонационные источники энергии с сферическим резонатором
Конструктивные признаки формирования топливовоздушной смеси для детонационного горения характеризуют способы и места ввода топливовоздушной смеси непосредственно внутрь камеры детонационного горения. Все детонационные источники энергии по данному признаку разделяются на:
– Бесклапанные.
– Клапанные с электромагнитным управлением.
– Клапанные с механическим управлением.
– Клапанные механические с волновой фазовой модуляцией топливовоздушной смеси
Для каждого типа детонационного источника энергии характерны определённые частоты следования волн детонационного горения и как следствие – энергетические характеристики.
На основании выше изложенного предлагается следующая классификация (классификационные решения) всех детонационных источников энергии с визуализацией возможных дальнейших направлений векторов развития таких источников энергии.
Примечание
Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.
Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]
3. Бесклапанный источник волн детонационного горения
Традиционные импульсные детонационные источники энергии представляют собой длинные трубы, по которым с небольшой частотой следуют ударные волны. Из-за низкой частоты следования ударных волн время, в течение которого происходит сжигание топлива, по сравнению с характерным временем цикла, мало. В результате, несмотря на высокий КПД собственно детонационного сжигания – общий КПД таких конструкций низкий.
Рассмотрим классический импульсный детонационный источник энергии цилиндрической формы согласно рис. № 7.
Рис. № 7. Детонационный источник энергии цилиндрической формы, бесклапанный.
Известно, что при горении любой топливно-кислородной смеси в трубе происходит переход горения в детонацию. В этом случае перед фронтом пламени движется исходная смесь, которая турбулизируется стенками трубы, что приводит к увеличению поверхности горения, т. е., в конечном счете, к непрерывному ускорению фронта пламени. Ускоряющееся пламя образует перед собой ударную волну, которая при достижении соответствующих параметров возбуждает детонацию не сгоревшей смеси.
При этом детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000 С.
Особенность цилиндрических источника в том, что из-за низкой частоты следования ударных волн время, в течение которого происходит сжигание топлива, по сравнению с характерным временем цикла, мало. В результате, несмотря на высокий КПД собственно детонационного сжигания – общий КПД таких конструкций низкий.
В конструктивном плане традиционный импульсный детонационный источник энергии представляет собой трубчатую полость, открытую с обеих сторон, см. рис. № 8. На входе монтируется инжекционный конусный смеситель (4), далее стабилизатор (7) и после него – камера быстрого горения/детонации (11).
Принцип работы схож с принципом работы пульсирующего бесклапанного реактивного двигателя за одним исключением – в трубе распространяется волна детонационного горения.
Рис. № 8. Импульсный детонационный источник энергии трубчатой формы.
Где:
1 – патрубок подвода газа.
2 – вход воздуха.
3 – газовая форсунка.
4 – инжекционный смеситель (эжектор).
5 – конфузор смесителя.
6 – диффузор смесителя.
7 – стабилизатор (сетка из нержавейки).
8- Электроискровая свеча зажигания.
9 – труба (корпус).
10- оптимальное расстояние установки свечи для инициации
быстрого горения.
11- камера быстрого горения (детонации).
12 – камера смешивания топливовоздушной смеси.
Корпус устройства разделён на две зоны.
Зона подготовки топливовоздушной смеси (12).
Зона горения (11).
В зоне подготовки топливовоздушной смеси происходит смешивание горючего газа и окислителя (воздуха) с помощью классического инжекционного смесителя (эжектора).
В инжекционном смесителе горючий газ, который истекает из сопла с большой скоростью обладает большим запасом кинетической энергии. За счет энергии газа в эжектор засасывается воздух и осуществляется процесс смесеобразования. Это одно из наиболее совершенных смесительных устройств, обеспечивающих полное выравнивание полей концентраций горючего и окислителя.
Стабилизатор, который отделяет зону подготовки топливовоздушной смеси и зону быстрого горения обеспечивает устойчивое полное предварительное смешивание воздуха и газа.
Для инициации быстрого горения используется классическая свеча зажигания.
Характеристики работы, поддержание его автоколебательного режима детонации топливовоздушной смеси осуществляется путём изменения частоты пробоя искрового разряда свечи зажигания с частотой до единиц Гц.
Представленная конструкция эффективно воспроизводит единичные детонационные импульсы, создавая условия для анализа и исследования таких параметров, как фронт распространения, температура, давление, энергетический выход и детонационно-электрический эффект.
Однако экспериментально подтверждён ряд фундаментальных ограничений, влияющих на общую эффективность и функциональность подобной конструкции:
– Подтверждено, что успешный запуск детонационной волны возможен только при расположении источника инициирования (свечи зажигания) не далее чем L⁄4 от начала трубы, что соответствует фазовым условиям генерации ударного фронта и согласуется с известной теорией стоячих волн в газодинамических резонаторах.
– Временной режим работы установки при текущей реализации соответствует низкой частоте следования детонационных импульсов (-1 Гц), что делает невозможным переход в режим квазинепрерывной генерации энергии.
– Несмотря на крайне высокий термодинамический КПД единичного детонационного сгорания (теоретически достигающий 45–55% и более), общий КПД всей системы остаётся низким по причине:
– высокой энергии потерь между циклами;
– отсутствия рекуперации энергии промежуточных процессов;
– недостаточной частотности импульсов для получения стабильного энергетического потока.
Достоинства:
– Высокая энергетическая плотность единичного детонационного сгорания;
– Простота опытной реализации (трубка малого объёма, пьезозажигание, легкодоступная ТВС);
– Возможность прямой регистрации и изучения, электрических и газодинамических эффектов;
– Является базой для тестирования новых концептов: детонационно-электрического генератора, имплозии, ионизации и плазмообразования.
Недостатки:
– Низкая частота импульсов (1–2 Гц), ограниченная термогазодинамикой, временем подготовки ТВС и охлаждением стенок реактора;
– Низкий общий КПД системы из-за прерывистости процесса и большого времени бездействия между импульсами;
– Ограниченные возможности масштабирования в существующей архитектуре;
– Требование точного позиционирования источника инициирования (L⁄4), снижающее гибкость конструкции.
Представленная однокамерная трубчатая детонационная установка даёт ценную информацию о физической природе и прикладных возможностях управляемой волны детонационного горения, включая уникальные эффекты (такие как детонационно-электрический эффект).
Практическое применение:
– Импульсные теплогенераторы высокой мощности;
– Активаторы детонационных камер предварительного нагрева;
– Инициирующие источники энергии в термобарических и пиротехнических разработках;
– Высокоэнергетические плазменные насосы и реакторы;
– Биомассо- или водородосжигающие мини-установки;
– Возможное применение в авиационном детонационном импульсном двигателе (PDE).
Вывод:
Цилиндрический бесклапанный детонационный источник энергии – это перспективная конструкция, сочетающая в себе простоту, надёжность и высокую удельную мощность, превосходящую традиционные методы сжигания топлива. При дополнительном совершенствовании и увеличении частоты воспламенения установка может стать основой для новых энергоформирующих решений в промышленной детонационной энергетике, теплотехнике, синтезе веществ и компактных импульсных двигателях.
Примечание
Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.
Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]