Väčšina spaľovacích spotrebičov využíva metódu spaľovania paliva na vzduchu. Existujú však dve okolnosti, kedy môže byť žiaduce alebo potrebné použiť iné oxidačné činidlo ako vzduch: 1) keď je potrebné vyrábať energiu na mieste, kde je prívod vzduchu obmedzený, napríklad pod vodou alebo vysoko nad zemský povrch; 2) keď je žiaduce získať v krátkom čase veľmi veľké množstvo energie z jej kompaktných zdrojov, napríklad vo výbušninách na pohon strelných zbraní, v zariadeniach na vzlet lietadiel (urýchľovače) alebo v raketách. V niektorých takýchto prípadoch je v princípe možné použiť vzduch vopred stlačený a uložený vo vhodných tlakových nádobách; táto metóda je však často nepraktická, pretože hmotnosť valcov (alebo iných typov skladovania) je asi 4 kg na 1 kg vzduchu; hmotnosť obalu pre tekutý alebo pevný produkt je 1 kg/kg alebo ešte menej.

V prípade, že sa používa malé zariadenie a hlavný dôraz sa kladie na jednoduchosť konštrukcie, napríklad v nábojoch do strelných zbraní alebo v malej rakete, používa sa tuhá hnacia látka obsahujúca tesne zmiešané palivo a okysličovadlo. Systémy na kvapalné palivá sú zložitejšie, ale oproti systémom na tuhé palivá ponúkajú dve výrazné výhody:

1. Kvapalina sa môže skladovať v nádobe z ľahkého materiálu a vstrekovať do spaľovacej komory, ktorej rozmery musia spĺňať len požiadavku na dosiahnutie požadovanej rýchlosti spaľovania (technika vháňania pevných látok do spaľovacej komory pod vysokým tlakom je všeobecne nevyhovujúce, preto musí byť celý náklad tuhého paliva od samého začiatku umiestnený v spaľovacej komore, ktorá preto musí byť veľká a pevná).
2. Rýchlosť generovania energie je možné meniť a kontrolovať vhodnou zmenou rýchlosti dodávania tekutiny. Z tohto dôvodu kombinácie kvapalných okysličovadiel a horľavín nachádzajú uplatnenie v rôznych pomerne veľkých raketových motoroch, v motoroch ponoriek, torpéd a pod.

Ideálne kvapalné okysličovadlo by malo mať mnoho požadovaných vlastností, ale z praktického hľadiska sú najdôležitejšie tieto tri: 1) významné uvoľňovanie energie počas reakcie, 2) porovnateľná odolnosť voči nárazu a zvýšeným teplotám a 3) nízke výrobné náklady . Je však žiaduce, aby oxidačné činidlo bolo nekorozívne alebo toxické, aby reagovalo rýchlo a malo správne fyzikálne vlastnosti, ako je nízky bod tuhnutia, vysoký bod varu, vysoká hustota, nízka viskozita atď. zložka raketového paliva, dosahovaná teplota plameňa a priemerná molekulová hmotnosť produktov spaľovania sú obzvlášť dôležité. Je zrejmé, že žiadna chemická zlúčenina nemôže splniť všetky požiadavky na ideálne oxidačné činidlo. A existuje len veľmi málo látok, ktoré čo i len približne majú požadovanú kombináciu vlastností, a len tri z nich našli nejaké využitie: tekutý kyslík, koncentrovaná kyselina dusičná a koncentrovaný peroxid vodíka.

Peroxid vodíka má nevýhodu v tom, že aj pri 100% koncentrácii obsahuje len 47 hm.% kyslíka, ktorý je možné využiť na spaľovanie paliva, pričom v kyseline dusičnej je obsah aktívneho kyslíka 63,5% a pre čistý kyslík je to možné aj 100%. % využitie. Táto nevýhoda je kompenzovaná značným uvoľňovaním tepla počas rozkladu peroxidu vodíka na vodu a kyslík. V skutočnosti sa výkon týchto troch okysličovadiel alebo ťah vyvinutý jednotkou ich hmotnosti v akomkoľvek konkrétnom systéme a pri akomkoľvek type paliva môže líšiť maximálne o 10-20%, a preto výber jedného alebo druhého okysličovadla pre dvojzložkový systém je zvyčajne určený inými úvahami.peroxid vodíka ako zdroj energie bol prvýkrát dodaný v Nemecku v roku 1934 pri hľadaní nových druhov energie (nezávislej na vzduchu) na pohon ponoriek.Táto potenciálna vojenská aplikácia podnietila tzv. priemyselný vývoj metódy spoločnosti "Electrochemische Werke" v Mníchove (E. W. M.) na zahusťovanie peroxidu vodíka na získanie vodných roztokov vysokej pevnosti, ktoré by bolo možné prepravovať a skladovať s prijateľne nízkou rýchlosťou rozkladu. Najprv sa vyrábal 60% vodný roztok pre vojenské potreby, no neskôr sa táto koncentrácia zvýšila a nakoniec začali dostávať 85% peroxid. Zvyšujúca sa dostupnosť vysoko koncentrovaného peroxidu vodíka koncom tridsiatych rokov tohto storočia viedla k jeho použitiu v Nemecku počas druhej svetovej vojny ako zdroja energie pre iné vojenské potreby. Peroxid vodíka bol teda prvýkrát použitý v roku 1937 v Nemecku ako pomocná látka v palive pre letecké a raketové motory.

Vysoko koncentrované roztoky obsahujúce až 90 % peroxidu vodíka vyrábali v priemyselnom meradle do konca druhej svetovej vojny aj Buffalo Electro-Chemical Co v USA a W. Laporte Ltd." Vo Veľkej Británii. Uskutočnenie myšlienky procesu výroby trakčnej energie z peroxidu vodíka v skoršom období je prezentované v schéme Lisholm, ktorá navrhla techniku ​​​​na výrobu energie tepelným rozkladom peroxidu vodíka s následným spaľovaním paliva vo výslednom kyslíku. . V praxi však táto schéma zjavne nenašla uplatnenie.

Koncentrovaný peroxid vodíka je možné použiť ako jednozložkové palivo (v tomto prípade podlieha rozkladu pod tlakom a tvorí plynnú zmes kyslíka a prehriatej pary), ako aj ako okysličovadlo na spaľovanie paliva. Mechanicky je jednozložkový systém jednoduchší, no poskytuje menší výkon na jednotku hmotnosti paliva. V dvojzložkovom systéme je možné najskôr rozložiť peroxid vodíka a potom spáliť palivo v horúcich produktoch rozkladu, alebo tiež zaviesť obe kvapaliny priamo do reakcie bez predchádzajúceho rozkladu peroxidu vodíka. Druhá metóda je jednoduchšia na mechanické usporiadanie, ale môže byť ťažké zabezpečiť zapálenie, ako aj rovnomerné a úplné spaľovanie. V oboch prípadoch je energia alebo ťah generovaný expanziou horúcich plynov. Rôzne typy raketových motorov s peroxidom vodíka používaných v Nemecku počas druhej svetovej vojny veľmi podrobne popisuje Walther, ktorý sa priamo podieľal na vývoji mnohých vojenských aplikácií peroxidu vodíka v Nemecku. Ním publikovaný materiál ilustruje aj množstvo kresieb a fotografií.

Najdôležitejšou časťou rakety a jednou z najzložitejších je nepochybne motor. Úlohou motora je premiešať zložky paliva, zabezpečiť ich spaľovanie a pri vysokej rýchlosti vypudzovať plyny vznikajúce pri spaľovacom procese v danom smere, čím vzniká prúdový ťah. V tomto článku sa budeme zaoberať iba chemickými motormi, ktoré sa v súčasnosti používajú v raketovej technike. Existuje ich niekoľko druhov: tuhé palivo, kvapalné, hybridné a kvapalné jednozložkové.

Každý raketový motor pozostáva z dvoch hlavných častí: spaľovacej komory a dýzy. So spaľovacou komorou je podľa mňa všetko jasné - ide o akýsi uzavretý objem, v ktorom sa spaľuje palivo. A tryska je navrhnutá tak, aby urýchľovala plyny vznikajúce pri spaľovaní paliva na nadzvukovú rýchlosť v jednom danom smere. Tryska sa skladá z konfúzora, kanála kritiky a difúzora.

Konfúzor je lievik, ktorý zhromažďuje plyny zo spaľovacej komory a posiela ich do kanála kritiky.

Kritika - najužšia časť dýzy. V ňom sa plyn zrýchľuje na rýchlosť zvuku vďaka vysokému tlaku z konfúzora.

Difuzér - rozširujúca sa časť dýzy po kritike. V ňom klesá tlak a teplota plynu, v dôsledku čoho plyn dostáva ďalšie zrýchlenie na nadzvukovú rýchlosť.

A teraz si prejdeme všetky hlavné typy motorov.

Začnime jednoducho. Najjednoduchší v dizajne je raketový motor na tuhé palivo. V skutočnosti ide o sud naplnený zmesou tuhého paliva a oxidantu s tryskou.

Spaľovacia komora v takomto motore je kanál v palivovej náplni a spaľovanie prebieha po celej ploche tohto kanála. Aby sa zjednodušilo tankovanie do motora, náplň sa často skladá z kontroliek paliva. Potom dochádza k horeniu aj na povrchu koncov dám.

Na získanie inej závislosti ťahu od času sa používajú rôzne prierezy kanála:

RDTT- najstarší typ raketového motora. Bol vynájdený v starovekej Číne, no dodnes sa používa ako vo vojenských raketách, tak aj vo vesmírnej technike. Tento motor sa vďaka svojej jednoduchosti aktívne používa aj v amatérskej raketovej vede.

Prvá americká kozmická loď Mercury bola vybavená šiestimi raketovými motormi na tuhé palivo:

Tri malé odvezú loď od nosnej rakety po oddelení od nej a tri veľké ju spomalia na deorbitu.

Najvýkonnejší raketový motor na tuhé palivo (a vo všeobecnosti najvýkonnejší raketový motor v histórii) je bočný posilňovač systému Space Shuttle, ktorý vyvinul maximálny ťah 1400 ton. Boli to tieto dva posilňovače, ktoré poskytli taký veľkolepý stĺp ohňa pri štarte raketoplánov. Jasne je to vidieť napríklad na videozázname štartu raketoplánu Atlantis z 11. mája 2009 (misia STS-125):

Rovnaké zosilňovače budú použité v novej rakete SLS, ktorá vynesie na obežnú dráhu novú americkú kozmickú loď Orion. Teraz si môžete pozrieť záznamy z pozemných testov urýchľovača:

Raketové motory na tuhé palivo sú tiež inštalované v núdzových záchranných systémoch určených na nasmerovanie kozmickej lode preč od rakety v prípade nehody. Tu sú napríklad testy SAS lode Mercury z 9. mája 1960:

Na kozmickej lodi Sojuz sú okrem SAS nainštalované motory na mäkké pristátie. Sú to tiež raketové motory na tuhé palivo, ktoré fungujú na zlomok sekundy a vydávajú silný impulz, ktorý stlmí rýchlosť klesania lode takmer na nulu tesne predtým, ako sa dotkne zemského povrchu. Činnosť týchto motorov je možné vidieť na zázname pristátia kozmickej lode Sojuz TMA-11M zo 14. mája 2014:

Hlavnou nevýhodou raketových motorov na tuhé palivo je nemožnosť regulácie trakcie a nemožnosť opätovného naštartovania motora po jeho zastavení. Áno, a zastavenie motora v prípade raketového motora na tuhé palivo nie je v skutočnosti zastavenie: motor buď prestane pracovať kvôli vyčerpaniu paliva, alebo ak je potrebné ho zastaviť skôr, ťah sa preruší: horný kryt motora sa odpáli špeciálnym rozstrekom a plyny začnú vystupovať z oboch jeho koncov, čím sa ruší trakcia.

Ďalej sa pozrieme na hybridný motor. Jeho zvláštnosťou je, že použité palivové zložky sú v rôznom stave agregácie. Najčastejšie používané tuhé palivo a kvapalné alebo plynné okysličovadlo.

Takto vyzerá skúšobný test takéhoto motora:

Práve tento typ motora bol použitý na prvom súkromnom raketopláne SpaceShipOne.
Na rozdiel od raketového motora na tuhé palivo je možné prúdový motor znovu naštartovať a upraviť jeho ťah. Nebolo to však bez nevýhod. Kvôli veľkej spaľovacej komore je nerentabilné dávať motory s plynovou turbínou na veľké rakety. Motor s plynovou turbínou je tiež náchylný na „tvrdý štart“, keď sa v spaľovacej komore nahromadí veľa okysličovadla a po zapálení dáva motor v krátkom čase veľký ťahový impulz.

Teraz sa pozrime na typ raketových motorov najpoužívanejších v kozmonautike. to LRE- raketové motory na kvapalné palivo.

V spaľovacej komore LRE sa miešajú a spaľujú dve kvapaliny: palivo a okysličovadlo. Vo vesmírnych raketách sa používajú tri palivovo-oxidačné páry: kvapalný kyslík + petrolej (rakety Sojuz), kvapalný vodík + kvapalný kyslík (druhý a tretí stupeň rakety Saturn-5, druhý stupeň Dlhého pochodu-2, vesmír Shuttle) a asymetrický dimetylhydrazín + oxid dusičitý (protónové rakety a prvý stupeň Changzheng-2). Testuje sa aj nový druh paliva, tekutý metán.

Výhodami LRE sú nízka hmotnosť, možnosť ovládať ťah v širokom rozsahu (throttling), možnosť viacnásobného štartu a väčší špecifický impulz v porovnaní s inými typmi motorov.

Hlavnou nevýhodou takýchto motorov je úchvatná zložitosť konštrukcie. Vyzerá to ako všetko na mojom diagrame, ale v skutočnosti pri navrhovaní raketového motora na kvapalné palivo musím čeliť niekoľkým problémom: potrebe dobrého premiešania zložiek paliva, ťažkostiam s udržaním vysokého tlaku v spaľovacej komore. , nerovnomerné spaľovanie paliva, silné zahrievanie stien spaľovacej komory a dýzy, ťažkosti so zapaľovaním, korozívny účinok okysličovadla na steny spaľovacej komory.

Na vyriešenie všetkých týchto problémov sa používa veľa zložitých a nie príliš technických riešení, a preto LRE často vyzerá ako nočná mora opitého inštalatéra, napríklad tento RD-108:

Spaľovacie komory a dýzy sú dobre viditeľné, ale dávajte pozor, koľko je tam potrubí, zostáv a drôtov! A to všetko je potrebné pre stabilnú a spoľahlivú prevádzku motora. Je tu agregát turbočerpadla na prívod paliva a okysličovadla do spaľovacích komôr, generátor plynu na pohon agregátu turbočerpadla, chladiace plášte pre spaľovacie komory a dýzy, prstencové rúrky na dýzach na vytvorenie chladiacej clony z paliva, odbočka. na vypúšťanie použitého generátorového plynu a drenážnych rúr.

Prevádzku LRE sa budeme podrobnejšie zaoberať v jednom z nasledujúcich článkov, ale teraz prejdime k poslednému typu motorov: jednozložkový.

Prevádzka takéhoto motora je založená na katalytickom rozklade peroxidu vodíka. Určite si mnohí pamätáte na školský zážitok:

Škola používa lekárenský 3% peroxid, ale tu je reakcia s použitím 37% peroxidu:

Je vidieť, ako z hrdla banky silou uniká prúd pary (samozrejme zmiešanej s kyslíkom). Prečo nie prúdový motor?

Motory na báze peroxidu vodíka sa používajú v orientačných systémoch kozmických lodí, keď nie je potrebná vysoká hodnota ťahu, a jednoduchosť konštrukcie motora a jeho nízka hmotnosť sú veľmi dôležité. Samozrejme, koncentrácia použitého peroxidu vodíka je ďaleko od 3% alebo dokonca 30%. Stopercentne koncentrovaný peroxid dáva pri reakcii zmes kyslíka a vodnej pary, zahriatu na jeden a pol tisíc stupňov, čo vytvára vysoký tlak v spaľovacej komore a vysokú rýchlosť výstupu plynu z dýzy.

Jednoduchosť konštrukcie jednozložkového motora nemohla upútať pozornosť amatérskych raketových vedcov. Tu je príklad amatérskeho jednozložkového motora.

AT 1818 francúzsky chemik L. J. Tenard objavil „oxidovanú vodu“. Táto látka bola neskôr pomenovaná peroxid vodíka. Jeho hustota je 1464,9 kg / meter kubický. Výsledná látka má teda vzorec H202, endotermický, oddeľuje kyslík v aktívnej forme s veľkým uvoľňovaním tepla: H202 > H20 + 0,502 + 23,45 kcal.

Chemici už o nehnuteľnosti vedeli peroxid vodíka ako oxidačné činidlo: roztoky H202(ďalej len " peroxid") zapálili horľavé látky, a to natoľko, že ich nebolo vždy možné uhasiť. Preto aplikujte peroxid v reálnom živote ako energetická substancia a dokonca bez potreby dodatočného okysličovadla, inžinier prišiel na myseľ Helmut Walter z mesta Kýl. A konkrétne na ponorkách, kde treba počítať s každým gramom kyslíka, hlavne že bol 1933 a fašistická elita prijala všetky opatrenia na prípravu vojny. Tu pracujte s peroxid boli klasifikované. H202- výrobok je nestabilný. Walter našiel produkty (katalyzátory), ktoré prispeli k ešte rýchlejšiemu rozkladu peroxidy. Reakcia odberu kyslíka ( H202 = H20 + O2) išlo okamžite a do konca. Bolo však potrebné „zbaviť sa“ kyslíka. prečo? Faktom je, že peroxid najbohatšie spojenie s O2 je to skoro 95% z celkovej hmotnosti látky. A keďže sa na začiatku uvoľňuje atómový kyslík, bolo jednoducho nepohodlné ho nepoužívať ako aktívne oxidačné činidlo.

Potom do turbíny, kde sa aplikoval peroxid, začala dodávať fosílne palivá, ako aj vodu, keďže tepla sa uvoľnilo pomerne dosť. To prispelo k zvýšeniu výkonu motora.

AT 1937 2009 sa uskutočnili úspešné skúšobné stolice agregátov s plynovou turbínou s kombinovaným cyklom a v r 1942 postavili prvú ponorku F-80, ktorá vyvinula rýchlosť pod vodou 28,1 uzlov (52,04 km/h). Nemecké velenie sa rozhodlo stavať 24 ponorky, ktoré mali mať dve elektrárne s kapacitou každej 5000 koní. Spotrebovali 80 % Riešenie peroxidy. V Nemecku sa pripravovali zariadenia na výrobu 90 000 ton peroxidu v roku. Pre „tisícročnú ríšu“ však prišiel neslávny koniec...

Treba poznamenať, že v Nemecku peroxid sa začali používať v rôznych modifikáciách lietadiel, ako aj na raketách V-1 a V-2. Vieme, že všetky tieto diela nedokázali zmeniť priebeh udalostí ...

V Sovietskom zväze pracujte s peroxid boli vykonávané aj v záujme ponorkovej flotily. AT 1947 ročník riadneho člena Akadémie vied ZSSR B. S. Stechkin, ktorý na Ústave Akadémie delostreleckých vied radil špecialistom na motory na kvapalné palivo, ktoré sa vtedy nazývali motory na kvapalné palivo, dal úlohu budúcemu akademikovi (a vtedy ešte inžinierovi) Varšavskij I. L. urobiť motor peroxidy navrhol akademik E. A. Chudakov. Na to slúžia sériové dieselové motory ponoriek typu „ Pike A prakticky dal „požehnanie“ práci Stalin. To umožnilo urýchliť vývoj a získať ďalší objem na palubu člna, kde sa dali umiestniť torpéda a iné zbrane.

Pracuje s peroxid vykonali akademici Stechkin, Chudakov a Varšave vo veľmi krátkom čase. Predtým 1953 ročníka podľa dostupných informácií vybavený 11 ponorka. Na rozdiel od práce s peroxid ktoré viedli USA a Anglicko, naše ponorky po sebe nezanechali žiadnu stopu, kým tie s plynovými turbínami (USA a ANGLICKO) mali demaskujúci bublinkový chochol. Ale bod v domácej implementácii peroxidy a použiť ho pre ponorky Chruščov: krajina prešla na prácu s jadrovými ponorkami. A silné nevybavené veci H 2 Zbrane boli rozrezané na kovový šrot.

Čo však máme v „suchom zvyšku“ s peroxid? Ukazuje sa, že ho musíte niekde uvariť a potom naplniť nádrže (nádrže) automobilov. To nie je vždy výhodné. Preto by bolo lepšie ho prijímať priamo na palube stroja a ešte lepšie pred vstrekovaním do valca alebo pred napájaním do turbíny. V tomto prípade by bola zaručená úplná bezpečnosť všetkých prác. Aké počiatočné tekutiny sú však potrebné na jeho získanie? Ak si dáte trochu kyseliny a peroxid povedzme bárium ( Va O 2), potom sa tento proces stáva veľmi nepohodlným pre použitie priamo na palube toho istého Mercedesu! Preto dajme pozor na obyčajnú vodu - H20! Ukázalo sa, že je to na získanie peroxidy možno bezpečne a efektívne používať! A stačí naplniť nádrže obyčajnou studničnou vodou a môžete vyraziť na cestu.

Jediná výhrada: v takomto procese sa opäť tvorí atómový kyslík (pamätajte na reakciu, ktorá Walter), ale aj tu sa, ako sa ukázalo, dá rozumne. Na jeho správne použitie je potrebná vodno-palivová emulzia, v zložení ktorej stačí mať min 5-10% nejaké uhľovodíkové palivo. Rovnaký vykurovací olej môže byť vhodný, ale aj keď sa použije, uhľovodíkové frakcie zabezpečia flegmatizáciu kyslíka, to znamená, že s ním budú reagovať a vydajú ďalší impulz, čím sa vylúči možnosť nekontrolovaného výbuchu.

Podľa všetkých výpočtov tu prichádza na rad kavitácia, tvorba aktívnych bublín, ktoré môžu zničiť štruktúru molekuly vody, uvoľniť hydroxylovú skupinu. ON a prinútiť ju spojiť sa s rovnakou skupinou, aby sa získala požadovaná molekula peroxidy H202.

Tento prístup je veľmi výhodný z akéhokoľvek hľadiska, pretože umožňuje vylúčiť výrobný proces peroxidy mimo predmetu použitia (to znamená, že ho umožňuje vytvárať priamo v spaľovacom motore). To je veľmi výhodné, pretože to eliminuje kroky samostatného tankovania a skladovania. H202. Ukazuje sa, že iba v okamihu injekcie dôjde k vytvoreniu zlúčeniny, ktorú potrebujeme, a obídením procesu skladovania, peroxid vstupuje do práce. A v nádržiach toho istého auta môže byť emulzia voda-palivo s mizerným percentom uhľovodíkového paliva! To by bola krása! A vôbec by nebolo strašidelné, keby jeden liter paliva mal cenu aj v 5 Americký dolár. V budúcnosti je možné prejsť na tuhé palivo, ako je uhlie, a ľahko z neho syntetizovať benzín. Uhlia je stále dosť na niekoľko stoviek rokov! Iba Jakutsko v malej hĺbke uchováva miliardy ton tejto fosílie. Ide o obrovský región, ktorý je zdola ohraničený vláknom BAM, ktorého severná hranica siaha ďaleko nad rieky Aldan a Maya...

Avšak peroxidy podľa opísanej schémy je možné pripraviť z akýchkoľvek uhľovodíkov. Myslím si, že hlavné slovo v tejto veci majú naši vedci a inžinieri.

Peroxid vodíka H 2 O 2 je číra, bezfarebná kvapalina, výrazne viskóznejšia ako voda, s charakteristickým, aj keď slabým zápachom. Bezvodý peroxid vodíka sa ťažko získava a skladuje a je príliš drahý na použitie ako raketové palivo. Vo všeobecnosti sú vysoké náklady jednou z hlavných nevýhod peroxidu vodíka. V porovnaní s inými oxidačnými činidlami je však manipulácia s ním pohodlnejšia a menej nebezpečná.
Sklon peroxidu k spontánnemu rozkladu je tradične zveličený. V priebehu dvoch rokov skladovania v litrových polyetylénových fľašiach pri izbovej teplote sme síce pozorovali pokles koncentrácie z 90 % na 65 %, ale vo väčších objemoch a vo vhodnejších nádobách (napríklad v 200-litrovom sude z dosť čistého hliníka) rýchlosť rozkladu 90 % peroxidu by bola nižšia ako 0,1 % za rok.
Hustota bezvodého peroxidu vodíka presahuje 1450 kg/m3, čo je oveľa viac ako hustota kvapalného kyslíka a o niečo menej ako hustota oxidačných činidiel kyseliny dusičnej. Nečistoty vo vode to bohužiaľ rýchlo znižujú, takže 90% roztok má hustotu 1380 kg / m 3 pri izbovej teplote, ale stále je to veľmi dobrý ukazovateľ.
Peroxid v LRE sa môže použiť ako jednotné palivo aj ako oxidačné činidlo - napríklad v kombinácii s petrolejom alebo alkoholom. Petrolej ani alkohol sa s peroxidom samovznietia a na zaistenie vznietenia treba do paliva pridať katalyzátor rozkladu peroxidu – vtedy stačí uvoľnené teplo na zapálenie. Pre alkohol je vhodným katalyzátorom octan manganatý. Pre petrolej existujú aj vhodné prísady, ale ich zloženie je utajené.
Použitie peroxidu ako jednotného paliva je obmedzené jeho relatívne nízkymi energetickými charakteristikami. Teda dosiahnuteľný špecifický impulz vo vákuu pre 85% peroxid je len asi 1300...1500 m/s (pre rôzne stupne expanzie) a pre 98% je to asi 1600...1800 m/s. Napriek tomu peroxid prvýkrát použili na orientáciu zostupového vozidla kozmickej lode Mercury Američania, potom na rovnaký účel sovietski konštruktéri na kozmickej lodi Sojuz. Okrem toho sa peroxid vodíka používa ako pomocné palivo na pohon TNA - prvýkrát na rakete V-2 a potom na jej "potomkoch", až po R-7. Všetky modifikácie „sedmičiek“, vrátane tých najmodernejších, stále využívajú na pohon TNA peroxid.
Ako oxidačné činidlo je peroxid vodíka účinný pri rôznych palivách. Poskytuje síce nižší špecifický impulz ako kvapalný kyslík, ale pri použití peroxidu s vysokou koncentráciou hodnoty SI presahujú hodnoty pre oxidátory kyseliny dusičnej s rovnakými palivami. Zo všetkých kozmických nosných rakiet len ​​jedna používala peroxid (spárovaný s petrolejom) – anglický „Black Arrow“. Parametre jeho motorov boli skromné ​​- IR motorov prvého stupňa mierne presahoval 2200 m/s pri zemi a 2500 m/s vo vákuu - keďže v tejto rakete bol použitý iba 85% peroxid. Bolo to spôsobené tým, že peroxid sa rozkladal na striebornom katalyzátore, aby sa zabezpečilo samovznietenie. Koncentrovanejší peroxid by roztopil striebro.
Napriek tomu, že záujem o peroxid sa z času na čas aktivuje, jeho vyhliadky zostávajú nejasné. Takže hoci sovietsky raketový motor na kvapalné palivo RD-502 (palivový pár - peroxid plus pentaborán) preukázal špecifický impulz 3680 m/s, zostal experimentálny.
V našich projektoch sa zameriavame na peroxid aj preto, že motory na ňom sú „chladnejšie“ ako podobné motory s rovnakým UI, ale na iné palivá. Napríklad produkty spaľovania „karamelového“ paliva majú takmer o 800° vyššiu teplotu pri rovnakom dosiahnuteľnom RI. Je to spôsobené veľkým množstvom vody v peroxidových reakčných produktoch a v dôsledku toho nízkou priemernou molekulovou hmotnosťou reakčných produktov.

Použitie: v spaľovacích motoroch, najmä pri spôsobe zlepšeného spaľovania palív za účasti uhľovodíkových zlúčenín. Podstata vynálezu: spôsob predpokladá zavedenie 10-80 obj. peroxidu alebo peroxozlúčenín. Kompozícia sa podáva oddelene od paliva. 1 z.p. f-ly, 2 tab.

Vynález sa týka spôsobu a kvapalnej kompozície na spustenie a optimalizáciu spaľovania uhľovodíkových zlúčenín a zníženie koncentrácie škodlivých zlúčenín vo výfukových plynoch a emisiách, kde sa kvapalná kompozícia obsahujúca peroxid alebo peroxozlúčeninu privádza do spaľovacieho vzduchu alebo do spaľovacieho vzduchu. zmes vzduchu a paliva. Predpoklady na vytvorenie vynálezu. V posledných rokoch sa čoraz viac pozornosti venuje znečisťovaniu životného prostredia a vysokej spotrebe energie, najmä v dôsledku dramatického úbytku lesov. Problémom v centrách osídlenia však boli vždy výfukové plyny. Napriek neustálemu zdokonaľovaniu motorov a vykurovacej techniky s nižšími emisiami či výfukovými plynmi viedol narastajúci počet vozidiel a spaľovacích zariadení k celkovému nárastu výfukových plynov. Hlavnou príčinou znečistenia výfukových plynov a vysokej spotreby energie je nedokonalé spaľovanie. Schéma spaľovacieho procesu, účinnosť zapaľovacieho systému, kvalita paliva a zmesi vzduch-palivo určujú účinnosť spaľovania a obsah nespálených a nebezpečných zlúčenín v plynoch. Na zníženie koncentrácie týchto zlúčenín sa používajú rôzne metódy, napríklad recirkulácia a dobre známe katalyzátory, čo vedie k dodatočnému spaľovaniu výfukových plynov mimo hlavnej spaľovacej zóny. Spaľovanie je kombinovaná reakcia s kyslíkom (O 2) pod vplyvom tepla. Zlúčeniny ako uhlík (C), vodík (H 2 ), uhľovodíky a síra (S) vytvárajú dostatok tepla na udržanie spaľovania, zatiaľ čo dusík (N 2 ) vyžaduje na oxidáciu teplo. Pri vysokej teplote 1200-2500 o C a dostatočnom množstve kyslíka sa dosiahne úplné spálenie, kde každá zlúčenina viaže maximálne množstvo kyslíka. Konečnými produktmi sú CO 2 (oxid uhličitý), H 2 O (voda), SO 2 a SO 3 (oxidy síry) a niekedy NO a NO 2 (oxidy dusíka, NO x). Oxidy síry a dusíka sú zodpovedné za okysľovanie prostredia, sú nebezpečné pri vdychovaní a najmä NO x absorbujú energiu spaľovania. Môžu sa vyrábať aj studené plamene, ako napríklad modrý oscilačný plameň sviečky, kde je teplota len okolo 400 °C. Oxidácia tu nie je úplná a konečnými produktmi môžu byť H 2 O 2 (peroxid vodíka), CO (oxid uhoľnatý ) a prípadne C (sadze) . Posledné dve zlúčeniny, ako napríklad NO, sú škodlivé a po úplnom spálení môžu poskytnúť energiu. Benzín je zmes ropných uhľovodíkov s bodmi varu v rozmedzí 40-200°C. Obsahuje asi 2000 rôznych uhľovodíkov so 4-9 atómami uhlíka. Podrobný proces spaľovania je veľmi zložitý aj pre jednoduché zlúčeniny. Molekuly paliva sa rozkladajú na menšie fragmenty, z ktorých väčšinu tvoria takzvané voľné radikály, t.j. nestabilné molekuly, ktoré rýchlo reagujú napríklad s kyslíkom. Najdôležitejšími radikálmi sú atómový kyslík O, atómový vodík H a hydroxylový radikál OH. Ten je obzvlášť dôležitý pre rozklad a oxidáciu paliva, a to priamym pridávaním aj odstraňovaním vodíka, čo vedie k tvorbe vody. Na začiatku iniciácie horenia vstupuje voda do reakcie H 2 O + M ___ H + CH + M, kde M je iná molekula, napríklad dusík, alebo stena alebo povrch iskrovej elektródy, s ktorou sa molekula vody zrazí. Pretože voda je veľmi stabilná molekula, na jej rozklad je potrebná veľmi vysoká teplota. Lepšou alternatívou je pridanie peroxidu vodíka, ktorý sa podobne rozkladá H 2 O 2 +M ___ 2OH + M. Táto reakcia prebieha oveľa ľahšie a pri nižšej teplote, najmä na povrchoch, kde je zapálenie zmesi vzduch-palivo jednoduchšie a viac kontrolované. Ďalším pozitívnym efektom povrchovej reakcie je, že peroxid vodíka ľahko reaguje so sadzami a dechtom na stenách a zapaľovacej sviečke za vzniku oxidu uhličitého (CO 2 ), čo vedie k čisteniu povrchu elektródy a lepšiemu zapáleniu. Voda a peroxid vodíka výrazne znižujú obsah CO vo výfukových plynoch podľa schémy 1) CO + O 2 ___ CO 2 + O: iniciácia 2) O: +H 2 O ___ 2OH vetvenie 3) OH +CO ___ CO 2 +H rast 4) H + 02___ OH + O; vetvenie Z reakcie 2) vidno, že voda zohráva úlohu katalyzátora a potom sa opäť tvorí. Pretože peroxid vodíka vedie k tisíckrát vyššiemu obsahu OH radikálov ako voda, krok 3) je značne zrýchlený, čo vedie k odstráneniu väčšiny vytvoreného CO. V dôsledku toho sa uvoľňuje dodatočná energia, ktorá pomáha udržiavať spaľovanie. NO a NO 2 sú vysoko toxické zlúčeniny a sú približne 4-krát toxickejšie ako CO. Pri akútnej otrave dochádza k poškodeniu pľúcneho tkaniva. NO je nežiaducim produktom horenia. V prítomnosti vody sa NO oxiduje na HNO 3 av tejto forme spôsobuje približne polovicu okyslenia a druhú polovicu má na svedomí H 2 SO 4 . Okrem toho NO x môže rozkladať ozón vo vyšších vrstvách atmosféry. Väčšina NO vzniká reakciou kyslíka so vzdušným dusíkom pri vysokých teplotách, a preto nezávisí od zloženia paliva. Množstvo vytvoreného PO x závisí od trvania udržiavania podmienok horenia. Ak sa zníženie teploty uskutočňuje veľmi pomaly, vedie to k rovnováhe pri mierne vysokých teplotách a relatívne nízkej koncentrácii NO. Na dosiahnutie nízkeho obsahu NO je možné použiť nasledujúce metódy. 1. Dvojstupňové spaľovanie palivom obohatenej zmesi. 2. Nízka teplota spaľovania spôsobená: a) veľkým prebytkom vzduchu,
b) silné ochladenie,
c) recirkulácia spalín. Ako sa často pozoruje pri chemickej analýze plameňa, koncentrácia NO v plameni je vyššia ako po ňom. Toto je proces rozkladu O. Možná reakcia:
CH3 + NO ___ ... H + H20
Tvorbu N2 teda podporujú podmienky, ktoré poskytujú vysokú koncentráciu CH3 v horúcich plameňoch bohatých na palivo. Ako ukazuje prax, palivá obsahujúce dusík, napríklad vo forme heterocyklických zlúčenín, ako je pyridín, poskytujú väčšie množstvo NO. Obsah N v rôznych palivách (približný), %: Ropa 0,65 Asfalt 2,30 Ťažký benzín 1,40 Ľahký benzín 0,07 Uhlie 1-2
SE-B-429.201 opisuje kvapalnú kompozíciu obsahujúcu 1-10 obj. % peroxidu vodíka a zvyšok - vodu, alifatický alkohol, mazací olej a prípadne inhibítor korózie, kde sa špecifikované kvapalné zloženie privádza do spaľovacieho vzduchu alebo do zmes vzduch-palivo. Pri tak nízkom obsahu peroxidu vodíka výsledné množstvo OH-radikálov nestačí na reakciu s palivom aj s CO. S výnimkou kompozícií, ktoré vedú k samovznieteniu paliva, je tu dosiahnutý pozitívny účinok malý v porovnaní s pridaním samotnej vody. DE-A-2 362 082 opisuje pridávanie oxidačného činidla, ako je peroxid vodíka, počas spaľovania, ale peroxid vodíka sa rozkladá na vodu a kyslík pomocou katalyzátora predtým, ako sa privedie do spaľovacieho vzduchu. Účel a najdôležitejšie znaky tohto vynálezu. Cieľom tohto vynálezu je zlepšiť spaľovanie a znížiť emisie škodlivých výfukových plynov zo spaľovacích procesov zahŕňajúcich uhľovodíkové zlúčeniny zlepšením iniciácie spaľovania a udržiavaním optimálneho a úplného spaľovania za takých dobrých podmienok, že škodlivé výfukové plyny sú značne znížené. To sa dosiahne privádzaním kvapalnej kompozície obsahujúcej peroxid alebo peroxozlúčeninu a vodu do spaľovacieho vzduchu alebo do zmesi vzduch-palivo, kde kvapalná kompozícia obsahuje 10 až 80 % objemových peroxidu alebo peroxozlúčeniny. V alkalických podmienkach sa peroxid vodíka rozkladá na hydroxylové radikály a peroxidové ióny podľa nasledujúcej schémy:
H202 + H20 ___ HO + 02 + H20
Výsledné hydroxylové radikály môžu reagovať navzájom, s peroxidovými iónmi alebo s peroxidom vodíka. V dôsledku týchto reakcií uvedených nižšie sa tvorí peroxid vodíka, plynný kyslík a hydroperoxidové radikály:
HO + HO ___ H202
HO + O ___ 3 O 2 + OH -
HO +H 2 O 2 ___ HO 2 +H 2 O Je známe, že pKa peroxidových radikálov je 4,88 0,10, čo znamená, že všetky hydroperoxy radikály disociujú na peroxidové ióny. Peroxidové ióny môžu tiež reagovať s peroxidom vodíka, navzájom alebo zachytávať výsledný singletový kyslík. O + H 2 O 2 ___ O 2 + HO + OH -
O + O 2 + H 2 O ___ IO 2 + HO - 2 + OH -
O + I O 2 ___ 3 O 2 + O + 22 kcal. Vzniká tak plynný kyslík, hydroxylové radikály, singletový kyslík, peroxid vodíka a tripletový kyslík s výdajom energie 22 kcal. Tiež sa potvrdilo, že ióny ťažkých kovov prítomné pri katalytickom rozklade peroxidu vodíka poskytujú hydroxylové radikály a peroxidové ióny. K dispozícii sú rýchlostné konštanty, ako napríklad nasledujúce údaje pre typické ropné alkány. Rýchlostné konštanty interakcie n-oktánu s H, O a OH. k \u003d A exp / E / RT Reakcia A / cm 3 / mol: s / E / kJ / mol / n-C 8 H 18 + H 7,1:10 14 35,3
+O 1,8:10 14 19,0
+OH 2,0:1013 3,9
Z tohto príkladu vidíme, že útok OH radikálmi prebieha rýchlejšie a pri nižšej teplote ako H a O. Rýchlostná konštanta reakcie CO + + OH _ CO 2 + H má nezvyčajnú teplotnú závislosť v dôsledku negatívnej aktivačnej energie a vysoký teplotný koeficient. Dá sa zapísať nasledovne: 4,4 x 10 6 x T 1,5 exp / 3,1 / RT. Reakčná rýchlosť bude takmer konštantná a rovná sa asi 1011 cm3/mol s pri teplotách pod 1000 asi K, t.j. až do izbovej teploty. Nad 1000 o K sa reakčná rýchlosť niekoľkonásobne zvyšuje. Z tohto dôvodu reakcia úplne dominuje premene CO na CO2 počas spaľovania uhľovodíkov. Z tohto dôvodu skoré a úplné spaľovanie CO zlepšuje tepelnú účinnosť. Príklad ilustrujúci antagonizmus medzi O2 a OH je reakcia NH3-H202-NO, kde pridanie H202 vedie k 90 % zníženiu NOx v prostredí bez kyslíka. Ak je prítomný O2, potom aj pri iba 2 % PO x je zníženie značne znížené. V súlade s týmto vynálezom sa H202 používa na generovanie OH radikálov disociujúcich pri približne 500 °C. Ich životnosť je maximálne 20 ms. Pri normálnom spaľovaní etanolu sa 70% paliva spotrebuje na reakciu s radikálmi OH a 30% - s atómami H. V predloženom vynáleze, kde sa OH radikály tvoria už v štádiu iniciácie horenia, sa horenie dramaticky zlepší v dôsledku okamžitého napadnutia paliva. Pri pridaní tekutej kompozície s vysokým obsahom peroxidu vodíka (nad 10%) je dostatok OH radikálov na okamžitú oxidáciu vzniknutého CO. Pri nižších koncentráciách peroxidu vodíka výsledné OH radikály nestačia na interakciu s palivom aj s CO. Kvapalná kompozícia je dodávaná tak, že nedochádza k chemickej reakcii medzi nádobou na kvapalinu a spaľovacou komorou, t.j. rozklad peroxidu vodíka na vodu a plynný kyslík neprebieha a kvapalina sa bez zmien dostáva priamo do spaľovacej zóny alebo predkomory, kde sa zmes kvapaliny a paliva zapáli mimo hlavného spaľovacieho priestoru. Pri dostatočne vysokej koncentrácii peroxidu vodíka (asi 35%) môže dôjsť k samovznieteniu paliva a udržaniu horenia. Zapálenie zmesi kvapalného paliva môže prebiehať samovznietením alebo kontaktom s katalytickým povrchom, pri ktorom nie je potrebná poistka alebo podobne. Zapálenie sa môže uskutočňovať tepelnou energiou, napríklad poistkou akumulujúcou teplo, otvoreným plameňom atď. Zmiešanie alifatického alkoholu s peroxidom vodíka môže vyvolať samovznietenie. Toto je obzvlášť užitočné v predkomorovom systéme, kde sa môže zabrániť zmiešaniu peroxidu vodíka a alkoholu, kým sa nedosiahne predkomôrka. Vybavením každého valca vstrekovacím ventilom pre kvapalné zloženie sa dosiahne veľmi presné dávkovanie kvapaliny prispôsobené všetkým prevádzkovým podmienkam. Pomocou riadiaceho zariadenia regulujúceho vstrekovacie ventily a rôznych snímačov pripojených k motoru, dodávajúceho riadiacemu zariadeniu signály o polohe hriadeľa motora, otáčkach motora a záťaži, prípadne teplote vznietenia, je je možné dosiahnuť sekvenčné vstrekovanie a synchronizáciu otvárania a zatvárania vstrekovacích ventilov a dávkovania kvapaliny nielen v závislosti od zaťaženia a požadovaného výkonu, ale aj od otáčok motora a teploty vstrekovaného vzduchu, čo vedie k dobrému pohybu v všetky podmienky. Kvapalná zmes do určitej miery nahrádza prívod vzduchu. Uskutočnilo sa veľké množstvo testov na identifikáciu rozdielov v účinku medzi zmesami vody a peroxidu vodíka (23 a 35 %). Zvolené zaťaženia zodpovedajú jazde na vysokorýchlostnej diaľnici a v mestách. Testovaný bol motor B20E s vodnou brzdou. Motor bol pred testom zahriaty. Pri vysokorýchlostnom zaťažení motora sa pri nahradení peroxidu vodíka vodou zvyšuje uvoľňovanie NO x, CO a HC. Obsah NO x klesá so zvyšujúcim sa množstvom peroxidu vodíka. Voda tiež znižuje NOx, ale pri tomto zaťažení potrebuje 4-krát viac vody ako 23% peroxid vodíka na rovnakú redukciu NOx. Pri jazde po meste sa najskôr dodáva 35% peroxid vodíka, pričom otáčky a krútiaci moment motora sa mierne zvýšia (20-30 ot./min / 0,5-1 nm). Pri prechode na 23% peroxid vodíka klesá moment a otáčky motora pri súčasnom zvýšení obsahu NO x. Pri dodávaní čistej vody je ťažké udržať motor v rotácii. Obsah NS sa prudko zvyšuje. Peroxid vodíka teda zlepšuje spaľovanie a zároveň znižuje NOx. Testy, ktoré vykonala Švédska inšpekcia motorových vozidiel na modeloch SAAB 900i a VoIvo 760 Turbo s prímesou 35 % peroxidu vodíka a bez neho, poskytli nasledujúce výsledky pre emisie CO, HC, NO x a CO 2 . Výsledky sú uvedené v % hodnôt získaných s peroxidom vodíka v porovnaní s výsledkami bez použitia zmesi (tabuľka 1). Pri testovaní na Volvo 245 G14FK/84 pri voľnobehu bol obsah CO 4 % a obsah HC 65 ppm bez pulzácie vzduchu (úprava výfukových plynov). Po zmiešaní s 35 % roztokom peroxidu vodíka sa obsah CO znížil na 0,05 % a obsah HC na 10 ppm. Časovanie zapaľovania bolo 10° a voľnobežné otáčky boli v oboch prípadoch 950 ot./min. V testoch vykonaných v Nórskom námornom inštitúte technológie A/S v Trondheime boli testované emisie HC, CO a NOx pre Volvo 760 Turbo podľa predpisu ECE N 15.03 s teplým motorom, pri štarte s použitím alebo bez použitia 35 % peroxidu vodíka. roztoku počas spaľovania (tabuľka 2). Vyššie je uvedené iba použitie peroxidu vodíka. Podobný účinok možno dosiahnuť aj inými peroxidmi a peroxozlúčeninami, anorganickými aj organickými. Kvapalná kompozícia môže okrem peroxidu a vody obsahovať aj až 70 % alifatického alkoholu s 1 až 8 atómami uhlíka a až 5 % oleja obsahujúceho inhibítor korózie. Množstvo kvapalnej kompozície primiešanej do paliva sa môže meniť od niekoľkých desatín percent kvapalného zloženia množstva paliva až po niekoľko stoviek percent. Väčšie množstvo sa používa napríklad pri ťažko zápalných palivách. Kvapalnú kompozíciu možno použiť v spaľovacích motoroch a iných spaľovacích procesoch zahŕňajúcich uhľovodíky, ako je ropa, uhlie, biomasa atď., v spaľovacích peciach na dokonalejšie spaľovanie a zníženie škodlivých zlúčenín v emisiách.

Nárokovať

1. SPÔSOB ZABEZPEČENIA ZLEPŠENÉHO SPAĽOVANIA S ÚČASŤOU ZLÚČENÍN UHĽOVODÍKOV, pri ktorom sa do spaľovacieho vzduchu, resp. obsah škodlivých zlúčenín vo výfukových plynoch-emisie, kvapalina kompozícia obsahuje 10 - 60 obj. peroxidu alebo peroxozlúčeniny a privádza sa priamo a oddelene od paliva do spaľovacej komory bez predchádzajúceho rozkladu peroxidu alebo peroxozlúčeniny, alebo sa zavádza do predkomory, kde sa zmes paliva a kvapalného zloženia zapáli mimo spaľovacej komory. hlavná spaľovacia komora. 2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že alifatický alkohol s 1 až 8 atómami uhlíka sa zavádza do predkomory oddelene.