Проект "Байконур". Ракетный котел: от теории к практике

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Перейдем к анализу следующего высказывания

Постом выше мы определили кто за что отвечает. Теперь посмотрим на состояние системы за дросселем.
Как мы помним из определения процесса дросселирования, за дросселем газ теряет давление, а следовательно согласно определению газ в случае:
1. Если остаточное давление после дросселирование все еще превосходит атмосферное, то газ продолжит двигаться в сторону ДТ
2. Если остаточное давление становится ниже атмосферного, то газ не сможет двигаться против шерсти.
3. И действительно газ не сможет дать реверс назад через дроссель если...
Сразу сделаем оговорку, что помимо регулирования расхода ПГ, у нас еще стоит задача ввода вполне определенного количества ВВ из атмосферы. Следовательно пункт первый не может быть приемлемым, поскольку ВВ просто не зайдет за счет обратной дельты давления. Правда есть и способ обойти этот пункт. Поскольку кинетическая энергия газа, после процесса дросселирования сохраняется, а также сохраняется теплосодержание газа - его энтальпия, то есть возможность за дросселем увеличить скорость газа и тем самым увеличить дельту статического и динамического давления. Т е задействовать эжекционный эффект. Но для этого требуется некоторое линейное пространство, которое как раз и предоставляется длиной ГК. (Т е в случае конструкции Берга, эжекционный эффект используется непосредственно из свойств дросселя, но это будет в ущерб его регулирующей по расходу газа способности). В ГК же эти функции можно разделить.
Однако рассмотрим п. 2. Здесь мы видим, что ВВ само будет "затекать" в канал, но, если ВВ холодный, то при смешении произойдет еще большая потеря "энергии" системы, а она у нас и так не способна двигаться, иначе как по инерции. Если бы ДТ была выведена в космос, т е в вакуум, то этих сил бы хватило, но она у нас находится в атмосфере, а следовательно по пути к ДТ, где опять начинае действовать Архимед, газу придется совершить работу по выталкиванию газа из каналов. А процесс дросселирования как раз лишает газ возможности совершать техническую работу в задроссельном пространстве. Далее рассмотри еще один важный параметр и его влияние на процессы- энтальпию газа... Продолжение следует...

 

Пост сборный не перечитывали. Там же все есть...

 

Рассмотрим понятие энтальпии (теплосодержания) газов. Из определения энтальпии следует, что теплосодержание газа равно сумме его внутренней энергии и произведения давления газа на занимаемый объем. В таком виде понятие энтальпии весьма плохо усваивается организмом, поэтому давайте разберем это понятие по косточкам. Для начала давайте посмотрим за какие параметры энтальпия отвечает:
1. Возможность протекания химической реакции.
Поскольку в определении энтальпии есть внутренняя энергия, то понимаем, что эта энергия может быть затрачена на разрыв одних химических связей и образование других. Потом мы вернемся к этому пункту, когда будем разбирать какое именно крличество внутренней энергии на что именно может быть затрачено...
2. На увеличение скорости газового потока
Поскольку и тепло и движение газов являются кинетической энергией, то понимаем, что тепло есть статическая кинетическая энергия, т е она не имеет вектора. Чем более быстрое и хаотичное движение молекул газа, заключенного в некоторый объем, тем выше его температура. Кстати, вот и вылез у нас ТД параметр объем...Ну, а движение газа это уже векторная величина ибо газ проходит путь из тчк. А в тчк. В.
Такое движение возможно, если газу будет предоставлен некоторый объем, который он сможет занять, ну и давление, чтобы он мог прийти в движение. Вот, у нас появилось и давление...
3. На изменение температуры газа.
Здесь уже много проще, поскольку мы рассмотрели п 2. Потенциал кинетического движения газа направляется на "удлинение" вектора кинетического движения газа. Потенциал - у нас есть температура, а длина вектора - скорость газового потока. Стандартная трансформация энергии. Ну и понятно, что если газовый поток чем либо тормознуть, то энергия преобразуется в обратном направлении. Вот, теперь обратите внимание на определение дросселя еще раз.
4. На совершение технической работы
Ну, здесь тем более все понятно, если на пути газа ставим поршень, то газ начнет его двигать, совершая работу по его перемещению. Естественно, что на совершение работы будет тратится энергия. Т е будет падать скорость газа и его температура. Это соотношение может быть разным и оно отлично рассмотрено в так называемых термодинамических циклах самым известным из который является "цикл Карно"
Ну вот, с энтальпией разобрались, теперь вернемся к дросселю. Из его определения следует, что энтальпия и скорость газа сохраняются, но газ утрачивает способность совершить работу. Из определения энтальпии видим, что у нас нарушается п 4. Т е энтальпия есть, а работу она совершить не может. Как так? Однако никакого нарушения законов нет. Для того, чтобы доказать это нам следует сделать экскурс в математику, а вернее в ее раздел, который описывает связь физических величин. Именно этот раздел позволяет провести тождественные преобразования в выражении одних термодинамических параметров через другие, а также рассматривать поведение системы зависящей одновременно от нескольких параметров. Сей раздел математике обзывается "Дифференциальное исчисление". Если кто хочет просветиться в этой области подробнее, в смысле как это все использовать для котлостроения, то шлите вопросы. Отступление достойно отдельной темы, поэтому просто постараюсь внятно ответить на конкретные вопросы. А далее продолжу уже с использованием сих дифференциалов поясняя только их физический смысл...Продолжение следует.

 

Ну, что смотрим на противоречие п 4 -го. Берем дифференциал внутренней энергии и дифференциал энтальпии и видим, что изменение внутренней энергии равно изменению энтропии при данной температуре за вычетом энергии пошедшей на заполнение объема под действием избыточного давления. Однако на дросселе сие давление было укокошено, а следовательно газ может заполнять объем только в случае, если при этом не надо делать работу. Таким образом внутренняя энергия меняется только при изменении энтропии и пропорциональна термодинамической температуре.
А вот энтальпия тоже является функцией изменения энтропии, но в ее состав еще входит и кинетическая энергия движения газа, а она у нас в процессе дросселирования сохраняется. Вот и получается, что работу газ может совершить только за счет инерции кинетического движения газа, поскольку второе слагаемое дифференциала энтальпии и внутренней энергии одинаков и показывает что он зависит от изменения энтропии. Понятно, что собственно только это слагаемое и остается действенным в процессе дросселирования. Т е пропустив газ через дроссель мы увеличили энтропию газа, сохранив при этом ее энергию. Таким образом дроссель выполняет функцию энтропийного фильтра. Осталось самая малость, пояснить на пальцах что такое энтропия. Так вот, по простому энтропия эта мера извлекаемости полезной энергии в данном месте и в данное время. По сути максимум энтропии соответствует тепловому равновесию системы и отсутствию возможности передачи и обмену энергии. Вот простой пример. Допустим у нас СО на ЕЦ. И пусть температура теплоносителя на ЕЦ +40 градусов. Пока дома было холодно, радиаторы СО грели помещение, а теплоноситель циркулировал. Но вот, мы нагрели помещение до +40. Очевидно, что теперь радиаторы уже ничего не греют, а циркуляция теплоносителя остановилась. Это как раз и есть тот факт, что энтропия системы СО стала максимальной...и все остановилось...
Именно в таком состоянии мы имеем газ после дросселя, но за счет уменьшения давления можем вкачать туда еще и ВВ. А далее энтропия заровняет температуру полученной ТВС и все остановится...
Чтобы двинуть систему дальше, ушлые ракетчики придумали райзер...Но об оном в следующей главе...

 

Если давление газа в топливнике превысит атмосферное, то будет дымить во все стороны, в том числе в помещение. Что и происходит часто во время розжига "ракеты". И поэтому стараются начинать розжиг у порта, чтобы меньше надымить и быстрее прогреть райзер (чтобы заработал Архимед). Но если вернуться к рисункам, то в том где ГО вверху розжиг (рис.1) будет без проблем (Архимед заработает сразу). Значит по мере разжига ГО можно опускать вниз (рис. 2,3). Или иметь байпас, прогар. И всё таки я сомневаюсь, что давление в топке может быть выше атмосферного если температура в топливнике выше атмосферной (частичек газа меньше в том же объёме поэтому тот же объём легче - значит давит меньше). И ещё ракету "лишить" ДТ довольно сложно, так как по моему мнению, ракета это и есть дымовая труба расположенная внутри печки (райзер). Причём преимущество в том что можно сильно нагревать основной движитель газов (райзер или внутренняя дымовая труба). При обычной ДТ это недостаток, так как требуется нагреть больше чтобы создать "тягу", но при этом всё что нагрели всё идет в атмосферу, то есть в минус КПД.

 

Да, при розжиге райзер будет уподоблен обычной ДТ, но и эффект дросселирования не будет заметен, поскольку порт имеет некоторое "среднее" сечение и вполне себе способен пропускать малое количество газов. Но по мере роста температуры и увеличении количества газов эффект начнет проявляться. Если его не будет, то попросту не потянется ВВ. В порту Берга, ВВ подведен к самой узкой части, где у газа самая большая скорость. И следовательно ВВ тянется на разнице статического и динамического давления. Вот, отсюда и геометрическая составляющая размерностей Берга. Однако понятно, что эта вся размерность будет соответствовать только одному виду топлива, поскольку для другого вида понадобится другое количество кислорода из воздуха, а Берговская система привязана исключительно к пропускаемому объему. Понятно, что при формировании ТВС важно не соотношение объемов, а концентрации реагирующих веществ. Как бы не утверждали Берговские фанатики о том, что у дедушки все хорошо, этот факт есть неопровержимый осиновый кол в ракетную классику в плане того, что в ракете запросто горят все сорта топлива. Для того, чтобы так оно и було, требуется менять степень дросселирования, ибо одной скоростью здесь не отскочить. В "проекте" в ГК специально установлен дополнительный ускоритель и проводились опыты по его влиянию на глубину регулирования эжекции ВВ.

В "проекте" и его родоначальнике заложены принципы конструкции аппарата Киппа. В "проекте" эта часть конструкции выделена и исправлена. Поэтому в том, кто давит можно не сомневаться. Другое дело, что такой элемент конструкции отсутствует в ракетной классике, потому он там себя и не проявляет. Утверждение, что газ легче - потому давит меньше ошибочно, поскольку газ давит в основном "температурой". Смею заметить, что любой газ, не зависимо от "тяжести своих частичек" занимает при одинаковых условиях один и тот же объем...
Ну и по поводу "ДТ внутри печи" действительно так, на растопке, а потом все совсем не так. Почему?, это мы увидим в продолжении темы...

 

Снег тяжелее воздуха?

 

Я думаю снег, тем более свежий, рыхлый, не препятствие для газов... ?

 

А я этого в начале не понял,интуитивно потом допилил печурку, за что был предан анафеме главным продвигалой ракет на ФХ и окрестностях.
Эх, если бы раньше глобус начали раскрашивать - сколько нервов бы уберегли ...

 

@_Reba_, Да в принципе вся информация и раньше была, просто раскидана по темам, с большими паузами между постами. Да и задумка была на коллективное творчество в смысле осмысливания информации в постах. Вот, Руслан быстро сообразил и реализовал автоматику, правда в рамках своей конструкции. Те без глобальной ее модернизации. Но даже такая переделка дала эффект. я думал этого будет достаточно, чтобы народ проникся...
Но, раз пошла такая пьянка, последний огурец приходится самому систематизировать. Да и вопрос мусороутилизатора оказался актуальным. Оказывается как минимум три конторы их производят и на них есть спрос. Но все схемы таких утилизаторов весьма корявые. А причина в том, что никто не "погружался" в теоретическую часть. Да и собственно огромный "печной" и "котловой" опыт многих поколений в этом случае идет во вред своей архаичностью и шаблонностью мышления. В Европе вот заметно шевеление в этой области, да и законы их по экологии заставляют менять подходы к выбору технического решения. А мы все экономим, не понимая, что экономим на самих себе. Производители строят анахронизмы, а покупатели их покупают. Так чего же менять, если и так всем хорошо? А то, что мусорные полигоны растут, да атмосферу загаживаем, так здесь забота о будущем поколении. Мусорные полигоны это же "клондайк" для археологов будущего. А к отраве надо привыкать постепенно, чтобы организм иммунитет выработал. Да, естественный отбор работал. Вот, наших внуков тогда никакое хим оружие не возьмет и никакой Чернобыль не страшен. Наоборот, на лампочках сэкономим. Да и смотри, того же Скрипаля, да Навального новейшее ОВ нервнопаралитического действия не берет. А в Сирии например от обычной хлорки тысячи жертв. Да и полицаи английские похоже тоже не Новичка сдюжили.... Так, что забота о новом поколении, никак не иначе...

 

Это Полтавщина... Снег мокрый, тяжелый, не одну крышу проломил... Правда в несколько большем количестве...
А газов (вентилятор + пирогазы) столько, что снежную пробку выплёвывают...

 

День начинает удаваться. Путем разбивания лба о распахнутые ворота все таки сумел увязать Ардуину, датчики температуры, угарного газа, сервопривод, экран и блютуз с телефоном. Программирование на нем же и с него же. И пока односторонняя связь по блютуз. Для начала серво заслонки ВВ тупо арифметически отслеживает уровень СО с коофициентом и поправкой.
Сори за корявое отображение. Разбираюсь с синтаксисом отправки.
Чем удобен телефон? В любое время проскочившую мысль можно скомпелировать или разобраться, почему не проходит. Конечно в ограниченном объеме. Тем не менее.

 

@Виктрычч, Теперь бы чуть усложнить. Серва должна отслеживать подачу ВВ по СО и температуре. До 450 градусов в подаче ВВ нет смысла ибо СО гореть не будет, а ВВ будет только охлаждать ПГ. Т е ГА должен запускаться, как только с ТП придет разрешение на работу. Думаю это совсем не сложно...

 

Продолжение: Прежде чем продолжить, давайте подведем итоги по поводу установленного порта-дросселя. И так, дроссель нам нужен как
1. регулирующий расход горючего пиролизного газа элемент. В отличии от поддувала, регулировка горючего газа более действенна. Ну, представим газовую плиту, у которой поворотом ручки уменьшается или увеличивается не расход газа, а расход воздуха. Такая газ плита хороша только для нацистских концлагерей....
ПС Печей этот тоже касается...
2. Для ввода вторичного воздуха и образования ТВС. Оно понятно, что в дросселе есть участок с крайне низким давлением, а следовательно ВВ будет засунут атмосферным давлением. Другой вопрос, что количество этого самого ВВ должно меняться. По объемам ВВ без вопросов, дедушка Берг составил таблицы геометрий элементов конструкции, в том числе и порта- дросселя. А вот с количеством кислорода вопрос порешался только в "проекте". Далее мы рассмотрим на конструктивном примере как это сделано.
Ну и общий конструктив для обеспечения п 1 - топливник выполнен в геометрии, чтобы получить свойства аппарата Киппа, т е в дроссель заходит исключительно горючий газ, он же и создает давление, в то время как атмосфера является лишь подпорой... При проведении опытов по п 2. было успешно протестирована возможность с помощью самого же ВВ управлять количеством ПГ. Т е был совершен заход как бы с тыла. Применяя этот метод сразу получилось реализовать и п 1 и п 2 и концентрацию кислорода менять в широких пределах. Да еще и управление дистанционное... прям как гидравлика в самолете.... Тоже посмотрим на реальном объекте при разборе конструкции.
А теперь, что у нас в минусовом остатке:
1. Ну, если кто внимательно читает, то сразу напрашивается вопрос об изменении степени дросселирования. Ну, так выполнено в "проекте" ГО имеет управляемое сечение. А так, становится очевидным, что очень важная, можно сказать основополагающая функция тепловых агрегатов использующих "ракетный способ сжигания" топлива.
2. Максимальная энтропия после дросселирования. Ну, раз уж мы получили воз и маленькую тележку энтропии, но сохранили все остальные параметры, то становится очевидным, что эту энтропию нам надо как то вернуть взад.... В смысле уменьшить. И самым простым способом это сделать - провести химию. Т е опять сжечь топливо. Поэтому в "проекте" конструкция сразу заточена не на полугаз, а полноценное газовое топливо, причем учтена возможность получения такого газа на всех этапах горения ТТ, ну может кроме растопочного, хотя и на сей режим есть рекомендации.
Немножко из теории: Возможность протекания химии изучил, а потом научил нас некто товарищ Гиббс. Из 4-х типов "свободной энергии" (рекомендую почитать про сию субстанцию, очень познавательно), одна из них носит его имя. Так вот, изменение свободной энергия Гиббса как раз показывает возможность протекания химических реакций в данных услоавиях. Если энергия положительна, то химия не возможна, если нулевая, но требуется изменить условия, если минусовая, то химия пойдет. Если у нас "букет" химических реакций, то сначала пойдет та, у которой больше минус ну и далее по порядку и по пропорции.
dG=dH-TdS, где G - энергия Гиббса, Н - энтальпия, Т - температура, а S-энтропия, ну а d- это дельта. А еще dG= - RT ln Kp, где Kp- отношение скоростей протекания прямой и обратной химической реакции и называется константой равновесия. А это уже кинетический раздел термодинамики, который традиционно игнорируется при проектировании бытовых печных агрегатов. Некоторые, так называемые печники профессионалы весело смеются, когда видят такую реакцию 2СО=С+СО2. А зря, она протекает в печах при определенных условиях внося свою лепту в наполнение ведра сажей при чистке.
Ну вот, собственно, мы пришли к следующей главе нашего повествования имея понимание того, что после если хотим иметь управление горением, то должны установить дроссель. Если дроссель установили, то должны газу за дросселем добавить энергии. Чем меньше степень дросселирования, тем проще газу добежать до дымовой трубы, но тем менее управляемый процесс горения. А чем "дроссельнее" дроссель, тем больше должен быть вылизан газовый тракт по пути к ДТ. Вот, и извращается классика в аэродинамике печных каналов. Ну и понятно, что полугаз - это полумеры. Понижение энтропии, за счет некоторого прироста энтальпии от частичного сгорания топлива позволяет сэкономить на аэродинамике. Отсюда и некоторое убеждение, что надо придать "ракетности" конструкции и все будет хорошо работать. Так оно и есть, многие замечали, что качество горения улучшается, даже дедушка Берг мигрировал в сторону ДСР, в силу привлекательности конструкции своей компактностью с сохранением (не полным) чистоты горения. Ну это и есть уважаемый по своей трудоемкости путь практика. Но мы то теперь знаем, куда и как увеличивать вектор...
Далее начнем рассматривать райзер, зачем, он, почему и пр. плюшки. А в качестве затравки к размышлению скажу, что уменьшая энтропию мы восстанавливаем давление газа за дросселем, а раз там появляется давление, то и газ прекратит свое движение через дроссель, да и ВВ не потянется. Значит нужно принять меры, что и сделали ушлые ракетчики,... и придумали райзер.

 

Райзер...Давайте из поста выше возьмем тот факт, что при горении топлива за дросселем вырастет давление, вернее восстановится, вернее выросло бы, если бы газу не дали дополнительного объема для расширения. А если давление все же будет расти, то вспомним, что давление есть сила деленая на площадь. Порт имеет маленькую площадь, значит если порт это вход, то выход должен быть большего сечения, чтобы силу размазать по площади. Все бы так, если бы не задача по утилизации тепла, ради которого мы все и затеяли. ТО создает сопротивление! Сопротивление движению газов до дымовой трубы, до спасительной силы Архимеда, за счет которой наш газ всплывет, унеся при этом часть нашего тепла. Мы же уже сделали вывод, что при большой степени дросселирования Архимед у на с со стороны входа оказывается в отсечке. Теперь атмосферное давление не помогает нам выталкивать газ, а всецело препятствует нашим потугам. Теперь, нам надо восстановить давление выше атмосферного, иначе газ наш просто не потечет через ТО. Но ведь это же давление заблокирует и наш дроссель. Если прикинуть баланс, то У ДТ за счет ее высоты есть фора в пару десятков Паскалей. Да, если у ПГ в топливнике, за счет площади приложения силы удается удерживать воздух и подавать ПГ в дроссельный канал, то ВВ подается исключительно на разнице статического и динамического давления. Падения давления за дросселем у нас уже нет, поскольку мы сожгли топливо и восстановили его. Кстати уже из этого описания видно, что ДТ становится элементом ООС и участвует в "установлении" тепловой мощности котла. Можно конечно ДГ запустить погорячее в ДТ, обделив ТО ну и разумеется себя тоже. И да, нашему газу приходится совершать работу, чтобы их объема ТО вытолкать газ к ДТ, а если вдруг он не пожелает всплывать, то и из ДТ. При этом "опорой" газу будет таки служить наш порт-дроссель ибо газ имеет свойство заполнять любой "свободный" объем и равномерно давить на его стенки. Понятно, что, чем больше площадь стенок и больший объем, тем меньше давление будет приходится на единицу площади. За примером далеко ходить не надо - ДСР Берга, ото самое оно, но к сожалению преимущественно для печей ибо отсутствие ТО есть отсутствие сопротивления ТО. Однако, сразу становится заметно "унылое" отступление от ракетного принципа, несмотря на то, что адепты продолжают настаивать, что это ракета, а не видимый вами автобус. Ну, что же заменил ракету на "проект" и там продолжил развитие того, что неасилила Европа..., даже при наличии в оной такого корифея с ГА как Берга.
Развитие этого направления описывать не буду, понятно, что нужен после дросселя некий ящик определенного объема с "прямым" (желательно" переходом в ДТ. А последняя так и будет жрать Джоули ибо без них она "большое сопротивление". Кстати на расширение в объем Джоули тоже тратятся, поскольку газу все едино надо работать против атмосферы.
ПС Без ДТ схема кажется проще и эффективнее. Достаточно понизить температуру газа до уровня, когда он будет не всплывать, а тонуть и просто слить его, то бишь канализировать. Но это уже другая история.
А мы будем применять райзер, т е ту классику, на которую не хватило евромозгов...Продолжение следует