Детонационные двигатели и некоторые другие вопросы

[mihalchuk]

За 90% КПД, куда уж больше.

Возьмём очень-очень эффективный РД-0124 с удельным импульсом 359 с или 3522 м/с.
1 кг выбрасываемого из сопла с такой скоростью газа несёт кинетическую энергию 6202 кДж.
Массовое соотношение компонентов топлива - 2,6. Т.е. 1 кг топливно-окислительной смеси содержит 278 г керосина, имеющего теплоту сгорания 43 кДж/г. Итого в 1 кг топливно-окислительной смеси 11954 кДж тепловой энергии.
6202/ 11954 = 51,9% КПД.
С какого потолка вы взяли 90% КПД - решительно непонятно...

С какого потолка... Ну первым делом я пару раз увидел эту цифру в разных источниках. Немного удивился - тепловая машина же, откуда такой КПД?
Может, это не абсолютный КПД, а относительно Карно? Потом подумал - ну а куда девается избыток? Из рд ничего, кроме "выхлопа" (реактивной струи) не летит. Нагревом сопла можно спокойно пренебречь. Струя после вакуумного сопла (в вакууме) весьма себе...параллельна, то есть там все вполне эффективно (потери есть, но не велики). Единственный существенный источник потерь - на испарение жидкого кислорода, но это тоже в общем другой порядок малости (всего 154 кДж на 722г кислорода или 1кг смеси). Подумав это всё, я решил внутренне согласиться с КПД РД свыше 90%. Простой расчёт, подобный приведенному Вами, я не делал, признаюсь.
Вопрос - где я ошибся? Где у РД холодильник, через который сбрасывается waste heat?

Типичная ошибка новичков. 43 кДж/г - это не теплота сгорания, а энтальпия. Т. е., энергия, которая выделится продуктами сгорания при приведении их к нормальному состоянию. А значит, вода должна быть жидкой, но в сопле такого нет. Обычно КПД считают для газообразных продуктов, и цифры получаются другие.

[SONY]

Вопрос - где я ошибся? Где у РД холодильник, через который сбрасывается waste heat?

В первую очередь "холодильником" является непосредственно рабочее тело. Ведь его температура на выходе вовсе не нулевая...

Кстати, в случае водородных двигателей рабочее тело уносит много энергии в виде несгоревшего топлива. Для наглядности:
- RL10B-2 (по всей видимости, это самый эффективны ЖРД из реально летающих) имеет удельный импульс 4565 м/с. Это даёт 10420 кДж/кг;
- массовое соотношение компонентов 5,88. Это значит, что водорода на каждый килограмм смеси 145 грамм. Учитывая удельную теплоту сгорания в 120 кДж/г получим 17442 кДж доступной энергии;
- КПД выходит 59,8% КПД;
- ОДНАКО для сжигания 145 г водорода нам нужно 1162 г кислорода, а у нас - только 855 г... Лишь 107 г водорода сгорят;
- в итоге получаем лишь 12820 кДж тепла;
- с учётом этого КПД получается уже 81,3%.

90% и тут нету, но всё-таки ближе.

У керосиновых двигателей эффект тоже есть, но уже совсем небольшой. Из тех самых 278 г керосина полностью сгореть могли бы 96,3%. Причём керосин - это не водород, при нехватке кислорода у нас не получится 3,7% несгоревшего керосина. Керосин в любом случае весь сгорает, просто до смеси воды, углекислого и угарного газов. Так что поправка к КПД РД-0124, связанная с этим эффектом, весьма небольшая. И, соответственно, для керосиновых двигателей вопрос повышения КПД весьма актуален.

[SONY]

Типичная ошибка новичков. 43 кДж/г - это не теплота сгорания, а энтальпия. Т. е., энергия, которая выделится продуктами сгорания при приведении их к нормальному состоянию. А значит, вода должна быть жидкой, но в сопле такого нет.

Нет, 43,0 МДж/кг - это низшая теплота сгорания, т.е. с газообразной водой.
Высшая теплота сгорания, которая с учётом конденсации воды - 46,1 МДж/кг.

[Старый]

В идеальном случае бесконечно прочного двигателя детонация (намеренная, сразу после прохождения верхней мёртвой точки, а не спонтанная фиг знает когда и где) обеспечила бы максимальный возможный КПД.

Равный обычному. 

[mihalchuk]

Типичная ошибка новичков. 43 кДж/г - это не теплота сгорания, а энтальпия. Т. е., энергия, которая выделится продуктами сгорания при приведении их к нормальному состоянию. А значит, вода должна быть жидкой, но в сопле такого нет.

Нет, 43,0 МДж/кг - это низшая теплота сгорания, т.е. с газообразной водой.
Высшая теплота сгорания, которая с учётом конденсации воды - 46,1 МДж/кг.

Ну значит да, как сказано выше, не всё топливо сгорает. У керосинового топлива будет, по памяти, 8,5 МДж/кг, или немного выше, но не 10+. КПД у ЖРД высокий, но не 90%. В детонационых можно использовать стехиометрическую смесь, но всё-равно они не будут такими эффективными, как обыкновенные ЖРЛ.

[Верный Союзник с Окинавы]

Давление ниже, уи такой же, либо чуть выше. 

А какой тогда смысл?

При меньшем давлении можно обойтись тонкими стенками и облегчить конструкцию.

А при бОльшем давлении должна быть выше скорость истечения, а значит тяга и пр., разве нет? 

Тут ещё роляет и масса выбрасываемого рабочего тела. Закачать много рабочего тела в большой объём камеры сгорания - значит затратить много энергии. Поэтому при увеличении давления в КС приходится либо пропорционально улучшать насосы/газогенераторы и увеличить тягу, либо сильно уменьшить размеры камеры сгорания, сохранив тягу.
ИМХО.

[Верный Союзник с Окинавы]

При меньшем давлении можно обойтись тонкими стенками и облегчить конструкцию.

Уже спрашивали: меньшее давление где?
Ктото думает что при детонации давление меньше чем при обычном давлении? Если давление меньше то откуда возьмётся удельный импульс?

Я не знаю, какое там вообще давление. НО, само по себе малое давление может дать преимущества. 

[Верный Союзник с Окинавы]

Что может быть лучше детонации термоядерного заряда в камере ракетного двигателя! Это ж такой УИ!

Так а что будет рабочим делом тогда?

[telekast]

Вопрос - где я ошибся? Где у РД холодильник, через который сбрасывается waste heat?

В реактивных двигателях, насколько я понимаю, основные потери это кинетические, те энергия уносимая струей рабочего тела. И кпд в 90% это чтото типа эффективного кпд, наверное. Кпд они ведь разные есть: тепловой кпд цикла (от чего все плясать начинает), индикаторный(с учетом потерь тепла в цикле), механический(с учетом потерь в подшипниках и затрат на привод вспомогательных агрегатов, насосов и пр) и как результат - эффективный, те показывающий сеолько энергии топлива перешлоинепосредственно в полезную работу, мощность на валу, тягу и тд.
Имху

[Верный Союзник с Окинавы]

При этом предложение подумать станет ли автомобильный двигатель мощнее и экономичнее если его заставить работать в режиме детонации, повисло в воздухе. Гениальные изобретатели думать не способны.

Автомобильный мотор =/= ЖРД. В ЖРД роляет скорость истечения газов, а в ДВС оно несущественно.

[Верный Союзник с Окинавы]

Есть ЖРД, выдающие хороший УИ даже при давлении меньше <10 атмосфер в КС.




Сравни двигатели AJ-10 и LR91.

[telekast]

Типичная ошибка новичков. 43 кДж/г - это не теплота сгорания, а энтальпия. Т. е., энергия, которая выделится продуктами сгорания при приведении их к нормальному состоянию. А значит, вода должна быть жидкой, но в сопле такого нет.

Нет, 43,0 МДж/кг - это низшая теплота сгорания, т.е. с газообразной водой.
Высшая теплота сгорания, которая с учётом конденсации воды - 46,1 МДж/кг.

Ну значит да, как сказано выше, не всё топливо сгорает. У керосинового топлива будет, по памяти, 8,5 МДж/кг, или немного выше, но не 10+. КПД у ЖРД высокий, но не 90%. В детонационых можно использовать стехиометрическую смесь, но всё-равно они не будут такими эффективными, как обыкновенные ЖРЛ.

Лучше всего, применительно к керосину, детонируют бедные смеси, с избытклм окислителя, так что экономия топлива может быть весьма существенной.
Имху

[Верный Союзник с Окинавы]

Вопрос - где я ошибся? Где у РД холодильник, через который сбрасывается waste heat?

В первую очередь "холодильником" является непосредственно рабочее тело. Ведь его температура на выходе вовсе не нулевая...

Кстати, в случае водородных двигателей рабочее тело уносит много энергии в виде несгоревшего топлива. Для наглядности:
- RL10B-2 (по всей видимости, это самый эффективны ЖРД из реально летающих) имеет удельный импульс 4565 м/с. Это даёт 10420 кДж/кг;
- массовое соотношение компонентов 5,88. Это значит, что водорода на каждый килограмм смеси 145 грамм. Учитывая удельную теплоту сгорания в 120 кДж/г получим 17442 кДж доступной энергии;
- КПД выходит 59,8% КПД;
- ОДНАКО для сжигания 145 г водорода нам нужно 1162 г кислорода, а у нас - только 855 г... Лишь 107 г водорода сгорят;
- в итоге получаем лишь 12820 кДж тепла;
- с учётом этого КПД получается уже 81,3%.

90% и тут нету, но всё-таки ближе.

У керосиновых двигателей эффект тоже есть, но уже совсем небольшой. Из тех самых 278 г керосина полностью сгореть могли бы 96,3%. Причём керосин - это не водород, при нехватке кислорода у нас не получится 3,7% несгоревшего керосина. Керосин в любом случае весь сгорает, просто до смеси воды, углекислого и угарного газов. Так что поправка к КПД РД-0124, связанная с этим эффектом, весьма небольшая. И, соответственно, для керосиновых двигателей вопрос повышения КПД весьма актуален.

ИМХО, тут роляет то, что оптимизировали тут не только под наибольший термический КПД, но и под меньшую стартовую массу ракеты.

То соотношение топливных компонентов, которое там есть, отвечает следующим требованиям:
1) Иметь высокую теплотворность;
2) Быть максимально плотным;
3) Иметь минимальную молекулярную массу выхлопа.

Последнее позволяет разгонять ту же массу выхлопа до бОльших скоростей, и, соответственно, с меньшими запасами топлива развивать бОльшие скорости. Т.е. максимум энергии и максимально эффективное её использование само по себе не так ценно.

[telekast]

Давление ниже, уи такой же, либо чуть выше. 

А какой тогда смысл?

При меньшем давлении можно обойтись тонкими стенками и облегчить конструкцию.

А при бОльшем давлении должна быть выше скорость истечения, а значит тяга и пр., разве нет? 

Тут ещё роляет и масса выбрасываемого рабочего тела. Закачать много рабочего тела в большой объём камеры сгорания - значит затратить много энергии. Поэтому при увеличении давления в КС приходится либо пропорционально улучшать насосы/газогенераторы и увеличить тягу, либо сильно уменьшить размеры камеры сгорания, сохранив тягу.
ИМХО.

Ну, применительно к циклу Хамфои с насосами все в порядке будет. Скажем, для цткла Брайтона со степенью поввшения дааления в компрессоре/ТНА 100 и кпд цикла 0,681022978 соответствует цикл Хамфри с примерно таким же крд 0,681018901 и степенью повышения дааления а компрессоре 19,сситая сьепень поввшенич дааления в фазе сгорания 12(примерный максимум для воздухо-керосиновой стехиометрии) Разница для клмпрессора в 5 раз. 

[Старый]

Автомобильный мотор =/= ЖРД. В ЖРД роляет скорость истечения газов, а в ДВС оно несущественно.

Никто не говорит что равно. Это аналогия а не равенство. Если по мнению некоторых детонация повышает давление то очевидно по аналогии при детонации должно повыситься давление в цилиндрах ДВС и поршни должны сильнее крутить коленвал. Так или нет? 

[Serge V Iz]

Кстати, керосин там (в камере сгорания керосин-кислородного ЖРД) довольно далеко "полностью" не не сгорает.

Цвет пламени угарного газа не имеет ничего общего с цветом факела керосинового ЖРД. Там явно догорает ещё не окисленный углерод. Который, в стехиометрии, - основной потребитель кислорода, т.е., даже малая несгоревшая его часть влечет...

(Одна из) причина такого поведения, по-видимому, - относительная скорость различных каналов (отдельных видов химических реакций во всем их большом множестве). Разложение углеводорода на водород и атомарный углерод - быстрая. Поэтому, вероятно, является более предпочтительным каналом в быстропротекающих там, в камере, процессах.

[telekast]

Автомобильный мотор =/= ЖРД. В ЖРД роляет скорость истечения газов, а в ДВС оно несущественно.

Никто не говорит что равно. Это аналогия а не равенство. Если по мнению некоторых детонация повышает давление то очевидно по аналогии при детонации должно повыситься давление в цилиндрах ДВС и поршни должны сильнее крутить коленвал. Так или нет?

При детонации давление повышается локально, во фронте ударной волны перемещающегося со скоростью несеольео километров в секунду. В двс, при нормальной работе, фронт распространения пламени движется со скоростью 25-50 МЕТРОВ в секунду. Сравни.  Вот только в поршневом двс использовать энергию фронта ударной волны нельзя, толькоипор8и и шатуны ломать. А в реактивном двигателе можно.
Имху 

[Старый]

При детонации давление повышается локально, во фронте ударной волны

Ну ё-моё! Семён Семёныч!

Вот только в поршневом двс использовать энергию фронта ударной волны нельзя, толькоипор8и и шатуны ломать.

Какакая неудача! А что такое? Неужели слишком сильно крутит коленвал?  

 А вобще "энергия ударной волны" это что такое? Это новый, неизвестный науке, вид энергии?

А в реактивном двигателе можно.
Имху 

О! И как же? 
 (вот на этом дилетантском имхе и строятся все заблуждения верующих в детонационные двигатели). 

[telekast]

Кстати, керосин там (в камере сгорания керосин-кислородного ЖРД) довольно далеко "полностью" не не сгорает.

Цвет пламени угарного газа не имеет ничего общего с цветом факела керосинового ЖРД. Там явно догорает ещё не окисленный углерод. Который, в стехиометрии, - основной потребитель кислорода, т.е., даже малая несгоревшая его часть влечет...

(Одна из) причина такого поведения, по-видимому, - относительная скорость различных каналов (отдельных видов химических реакций во всем их большом множестве). Разложение углеводорода на водород и атомарный углерод - быстрая. Поэтому, вероятно, является более предпочтительным каналом в быстропротекающих там, в камере, процессах.

При богатых смесях, а, как я понял, в керосиновом жрд используют именно такие, часть топлива неизбежно не сгорит. Просто для нее нет окислителя в смеси. Даже при стихеометрии часть керосина обуглится и уйдет а сажу. Потому что в керосине есть азот(емнип), который образует окислы, отбирая кисдород у углерода с водородом. "обделенный" окислителем керосин самине сгорая отбирает на свой нагрев, испарение, обугливание часть терлоты снижая температуру и давление (именно так борются с детонацией в двс - уведичивают подачу топлива, буквально тушат пожар бензином). Плюс еще для полного сгорания нужна гомоногенная, те однородная смесь, в которой каждая молекула топлива должна быть окружена нужным количестаом молекул окислителя, что а репльности обеспечить пости невозможно. И что ведёт к некоторым парадоксам, типа бедная смесь ввдает в итоге бОльшую температуру в цикле.

[Serge V Iz]

Да Старый про другое провоцирует говорит. )

Там, в ДВС, теплота из сгоревшего топлива заставляет рабочее тело совершать работу, приводящую его достаточно близко обратно к нормальным условиям.  И количеству работы, в таких условиях и в первом приближении, нет причин как то меняться от распределения скорости ее совершения по разным участкам фазовой траектории. Короткий удар в ВМТ или более длительное давление на четверти оборота коленвала - без разницы. Ну, до тех пределов, в которых работа ещё не заключается в пластической деформации деталей. )