Специальные циклы тепловых ДДА.

Основными недостатками тепловых двигателей являются невозможность полного преобразования теплоты в работу и ограничения, накладываемые на это преобразование выбранным циклом работы.

Рассмотрим более подробно некоторые последствия этих ограничений.

В энергетической установке, работающей по открытому циклу, продукты сгорания топлива после прохождения через двигатель выбрасываются в окружающую среду, унося с собой неиспользованную теплоту. В обычной энергетической установке, работающей по замкнутому циклу, высокотемпературные продукты сгорания топлива передают теплоту рабочему телу, которое находится в замкнутом контуре; а продукты сгорания топлива выбрасываются за борт. Неиспользованная в замкнутом контуре теплота отводится в окружающую среду с помощью теплообменника.

В зависимости от конкретных свойств топлив возможны различные типы энергетических установок, работающих при тех или иных сочетаниях открытого и замкнутого циклов. Во всех этих случаях кпд установки будет зависеть от содержания энергии в продуктах сгорания топлива и от их свойств, а также от таких параметров окружающей среды, как температура, давление и т. д. Океан представляет собой высокоэффективный «холодильник» для отвода неиспользованной в установке теплоты при низких температурах, однако высокое противодавление при работе глубоководных аппаратов будет снижать кпд. установки по мере увеличения глубины погружения, если не предусмотреть соответствующих мер.

Энергетические установки для подводных аппаратов проектируются таким образом, чтобы использовать преимущества, которые дает окружающая среда, и избежать отрицательного влияния некоторых параметров окружающей среды на их работу.

Открытый или модифицированный открытый цикл. В энергетических установках подводных аппаратов используются термодинамические циклы типа цикла Ренкина. В простейшем случае продукты сгорания топлива расширяются в двигателе и затем отводятся за борт. В тех случаях, когда в таких установках используется топливо, продукты сгорания которого представляют собой неконденсируемые газы, кпд установки уменьшается по мере увеличения глубины погружения так же, как и в стандартных ракетах, поскольку возрастает отношение давления истекающего рабочего тела к давлению на входе в двигатель.

В тех случаях, когда продукты сгорания представляют собой конденсируемые газы, как, например, при сгорании водород-кислородного (Н-0) топлива, забортная морская вода может быть использована для их охлаждения и конденсации до жидкого состояния.

Следует отметить, что конденсированные продукты сгорания можно откачать за борт насосом при небольших затратах мощности двигателя.

Конденсируемые продукты сгорания позволяют получить весьма низкое давление на выхлопе, например, в случае использования водяного пара, что оказывает положительное влияние на характеристики двигателя. Охлаждение отработанных продуктов может быть произведено с помощью контактного эжектора или поверхностного теплообменника.

Для уменьшения температуры рабочего тела забортную морскую воду всегда можно впрыснуть в ПГГ этих двигателей, что обычно осуществляется с помощью шестеренного водяного насоса, приводимого от гребного вала. Существуют также системы, в которых вместо забортной воды в камеру сгорания впрыскивается вода, образующаяся в результате конденсации продуктов сгорания, при температуре 373 К. В любом из указанных выше случаев температура в камере сгорания понижается, а масса газообразного рабочего тела возрастает.

Пренебрегая кинетической энергией впрыскиваемой воды, ее характеристики всегда можно рассчитать по известным таблицам состояния пара.

Теоретические значения параметров тепловых двигателей открытого типа могут быть на порядок выше, чем удельные импульсы глубоководных ракет со впрыском воды, и примерно на два порядка выше, чем стационарных ракет, работающих вблизи поверхности воды. Тепловой двигатель открытого типа имеет наибольшее значение кпд в тех случаях, когда газообразные продукты расширяются до очень низких давлений за счет интенсивного охлаждения отработанных продуктов. Впрыск воды в камеру сгорания уменьшает общий удельный импульс, и это уменьшение не компенсируется полностью даже при впрыске нагретой воды из конденсатора вместо холодной морской воды. Создание для двигателя этого типа таких условий, при которых давление отработанных продуктов стремится к своему минимальному значению в условиях конкретного противодавления, резко увеличивает кпд установки в целом.

Поступая таким образом, т. е. создавая определенные давления отработанных продуктов, удается также понизить температуру газов в выхлопном патрубке, которая, разумеется, будет выше, чем температура конденсированной воды. Отметим также, что температура отработанных газов теоретически может быть еще понижена.

Как известно, для того чтобы полнее использовать теплотворную способность топлива, давление и температура отработанных газов должны иметь по возможности наименьшие значения. Полная располагаемая энергия при непрерывном потоке рабочего тела будет

(6.10)

Для лучшего использования полной энергии h_F необходим более совершенный двигатель, чем тепловой двигатель, работающий по открытому циклу.

Для расчета h_F в рассматриваемом случае следует предположить возможность получения отработанных газообразных продуктов достаточно низкой энергии. Так, давление может быть меньшим, чем давление окружающей среды; более того, расширение газов может происходить до температур меньших, чем температура окружающей среды, т. е. аналогично случаю действия огнетушителя на основе СО₂.

Характеристики установки улучшаются в тех случаях, когда в ходе процесса используется большая разность температур и энтальпий. Однако это улучшение характеристик уменьшается по мере роста отношения расходов воды к топливу.

Замкнутый цикл и замкнутый цикл по потоку рабочего тела. В противоположность установкам открытого цикла, в установках замкнутого цикла продукты сгорания топлива отдают свою тепловую энергию рабочему телу через поверхность теплообмена при наивысшей температуре цикла. Эта энергия частично превращается в работу, в процессе которой рабочее тело после расширения в двигателе вновь возвращается в исходное состояние и частично рассеивается в окружающей среде.

К потерям энергии следует отнести теплоту, затраченную на нагрев продуктов химической реакции компонентов топлива от температуры их хранения в резервуарах подводного снаряда до наивысшей температуры цикла, поскольку эти продукты обычно выбрасываются за борт после того, как отдадут свою теплоту рабочему телу. Этот вид потерь энергии возрастает по мере увеличения максимальной температуры цикла и препятствует росту термического кпд цикла. С учетом сделанных замечаний максимальная полезная работа будет

(6.11)

где h_s — количество теплоты, затраченной на нагрев компонентов топлива от температуры хранения до температуры Т_с.

Некоторая часть тепла h_s может быть превращена в работу, если продукты сгорания топлива будут не сразу отводиться за борт, а начнут поступать на вход дополнительного двигателя, работающего на непрерывном газовом потоке.

Величина этой энергии может быть определена при помощи выражения (4.1). При этом следует заметить, что условия на выхлопе для основного двигателя, работающего по тому или иному циклу, и дополнительного двигателя, работающего на непрерывном газовом потоке, не обязательно должны быть одинаковыми.

Усложнение установки за счет ввода дополнительных двигателей, рабочим телом которых является один и тот же непрерывный газовый поток, вызовет рост кпд, который будет увеличиваться по мере повышения температуры.