Техника - молодёжи 2002-11, страница 24
ИДЕИ НА Андрей МАКАРОВ, старший научный сотрудник лаборатории безопасности взрывных работ ФГУП НЦ ВостНИИ, г.Кемерово ...ЖИЛА-БЫЛА В XIX в. ПРОСТАЯ ПАРОВАЯ МАШИНА-ТРУДЯГА. Но в XX столетии пришел ей на смену сложный двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Резвый такой малыш, настоящий озорник, хотя капризный и трудновоспитуемый. Температура у него была постоянно повышена — только успевай охлаждать вентиляторами-радиаторами! И все бы ничего, да много вылетает в трубу тепла рассеянного с дымом вонючим. А все почему? Каковы принципиальные недостатки воздушно-топливных ДВС? Во-первых, при высокой степени сжатия рабочего тела (газа) теряется мощность (-50% и более1) на подготовку и «сжимание» воздуха (окислителя). Оказывается, «бесплатный» воздух — на деле вовсе НЕ бесплатный, с точки зрения термодинамических потерь: его сначала нужно очень сильно «сдавить» (в 10 — 20 раз!), затратив немало сил Газообразный окислитель (он же — рабочее тело) для ДВС — просто неудобен! Во-вторых, теплостойкость материалов, увы, ограничена, и двигатель приходится охлаждать. Итого гигакилокало-рии тепла торжественно повышают энтропию Вселенной не только через выхлопную трубу, но и через корпус силовой установки. В-третьих качество рабочей смеси воздух + горючее зависит от точного дозирования компонентов и «гомогенизации» смеси (аэрозоля) при сжигании. Ге-терофазное смешивание и сжигание газожидкостных составов типа горючее-жидкость + окислитель-газ — проблемы сложные (см., например, статью в «ТМ», №7 за 2002 г.) коварные, не решенные до конца до сих пор, то есть более чем за 100 лет (!) технической эволюции ДВС. В-четвертых, развиваемая мощность топливно-воздушных ДВС ограничена малой плотностью газов даже на дне атмосферы А ведь пороховой заряд (унитарное топливо), независимый от атмосферы, развивает на порядки большую мощность за счет газораспада конденсированного вещества, хотя калорийность порохов (до 800 — 1000 ккал/кг) на порядок меньше теплоты сгорания жидких горючих в «бесплатном» воздухе-окислителе. Наконец, топлива нефтяного происхождения и другие «альтернативные» горючие (спирты, газы и пр.) — взрыво-пожароопасны. Продукты сгорания углеродистых топлив в ДВС содержат канцерогены и опасны для человека и окружающей среды. Ну, хватит? Да кто же придумал воз-душно-топливный ДВС, да еще на углеводородах, что за злодей?! АВТОМОБИЛЬ НА ГАЗИРОВАННОЙ ВОДЕ ИЛИ... НА РАКЕТНОМ ТОПЛИВЕ. Многие умники-двигателисты читали сказку про Незнайку Иные вспомнят, как он угнал и разбил автомобиль Знай- Ш И X ч и ки на газированной воде. По замыслу конструктора Знайки, в топливный бак его авто заливалась газ-вода, где-то разлагалась, а пары-газы двигали поршни (вращали турбину). Суть в том, что Знайка-двигателист изобрел простой, как мычание, цикл работы на унитарном топливе-энергоносителе, независимом от атмосферы. И нужно-то лишь повысить работоспособность «газ-воды» и цикла Знайки до конкуренции с «единственно верным» ДВС! Итак, начинаются чудеса (для продвинутых двигателистов). Во-первых, из таблицы Д.И. Менделеева и газовых законов следует, что идеальное рабочее тело — газообразный водород. Например, 1 кг воды (НгО) при 100°С превратится в пар, который займет объем до ~1,5 м3, а 1 кг жидкого водорода (Н>) самопроизвольно раздуется аж до 11 — 12 м3. Так пусть же в рабочих газах для двигателя Знайки будет больше низкомолекулярных продуктов: пара НгО и водорода Нг. А вот тяжелых и токсичных углеродсодержащих продуктов СО; , СО, С.Нп, — ни-ни! Другими словами унитарный энергоноситель должен на 100% состоять из легких атомов водорода, азота, кислорода и, по возможности, не содержать углерода вообще. Во-вторых, чтобы не греть рождаемые холодные газы теплом окружающей среды, пусть «газ-вода» содержит окислитель для сжигания горючего-водоро-доносителя из того же раствора (по аналогии с унитарным топливом — порохом). Итак, топливо для «парогенератор-ного» двигателя инженера Знайки должно быть раствором из легких атомов Н, N, О по принципу: ОКИСЛИТЕЛЬ + ГОРЮЧЕЕ + РАСТВОРИТЕЛЬ. Тогда в унитарном топливе совмещаются функции окислителя, горючего и рабочего тела-газа в одной жидкой фазе, с гомогенизацией всех компонентов на молекулярном уровне! Наконец, топливо-раствор, в отличие от пороха, должно быть пожаровзрыво-безопасным, не токсичным для человека и окружающей среды, конкурентоспособным с нефтепродуктами (хотя бы на единицу работоспособности), удобным в обращении, с неограниченной сырьевой базой. Пока хватит. Да может ли быть такое? Научно ли? — спросят продвинутые двигателисты. И это хорошо. А вот «самые-самые» специалисты, «самые-самые» ДВС-ники ничего не спросят. И это плохо. За 100 лет эволюции ДВС удалось создать таких специалистов, в которых эти двигатели нуждаются. И теперь без воздуха, бензина или соляры достучаться до сознания ДВС-ников уже невозможно. «ОЗВЕРИН» ДЛЯ МОТОРА И ОГОРОДА. Скоро поршень двигается, да не скоро сказка сказывается Итак, согласно техническому заданию на «унитарное топливо» для инженера Знайки, ищем де- Т А Т Е Л Е Й шевый, безопасный, крупнотоннажный, удобный в обращении, малотоксичный, растворимый и безуглеродный окислитель состоящий из легких атомов Н, N, О с неограниченной сырьевой базой на планете Земля... — вот, те, бабушка, и Юрьев день!.. — ..Есть такая партия! В школьной пробирке и на п/о «Азот» с мировой производительностью порядка 20 млн т в год готовятся горячие растворы концентрированного азотного удобрения — аммиачной селитры, AC (NH4NO3, аммоний азотнокислый, он же нитрат аммония) из растворов азотной кислоты и аммиака Таким образом решается проблема получения связанного азота из атмосферы, знакомая каждому дачнику Стоимость горячих 90%-ных растворов АС после синтеза-нейтрализации на производстве — по цене питьевой газировки, а то и дешевле. Для наших целей важно, что в молекулах АС присутствует и водород (горючее, 5%), и кислород (окислитель, его больше, 60%), а конечные продукты экзораспада АС состоят из 45% пара, 35% азота и 20% кислорода: 2NH.N03 = 4Н?0 + 2l\h + О2 + 360 ккал/кг. Введение дешевых растворимых водо-родосодержащих горючих (5 — 20%-ные спирты, аммиак, карбамид и пр.) повышает экзотермичность газораспада водонитратных растворов до 750 — 950 ккал/кг, с выделением -1000 л/кг паров и газов (а это, господа двигателисты, — уровень энергетики нитроглицериновых бездымных порохов). Задачка на сообразительность: какой ДВС способен развить большую мощность, воздушно-топливный или на жидком топливе-порохе? Задача непростая. Свойства АС как самого безопасного окислителя и энергоносителя, а также кинетика термораспада АС хорошо изучены в теории взрывчатых веществ (ВВ) Способность к детонации сухих смесей АС с органикой исчезает при введении воды-растворителя с наполнением смеси жидкостью и резким ростом плотности системы. Другими словами, если в цистерну с водонитрат-ным раствором (АС + нелетучее горючее) при температуре до ЮО'С пальнуть кумулятивной гранатой или зарядом высокобризантного ВВ, детонации и горения продукта не случится (бри-зантность — это способность взрывчатого вещества при взрыве производить местное дробление твердой среды, прилегающей непосредственно к заряду. — Ред.). Цистерну только испортим. А для сравнения — пусть двигателисты проделают тот же опыт с цистерной бензина. Еще задачка на сообразительность-будет ли воздушнотопливный ДВС рабо- Пока автомобиль «на газ-воде» существует лишь в книге Николая Носова «Приключения Незнайки и его друзей»... ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 112 0 0 2 22 |
