Wie würde sich die Rückgewinnung der Abgaswärme in die Brennkammer auf die Effizienz eines Strahltriebwerks auswirken?

Ein Düsentriebwerk saugt also im Grunde genommen Luft an, erwärmt sie und spuckt sie aus, richtig? Je heißer die Luft wird, desto schneller ist die Abgasgeschwindigkeit und damit desto effizienter (höherer spezifischer Impuls).

Nun ist meine Frage, wie sich das alles auswirkt, wenn Sie ein Wärmerückgewinnungssystem verwenden, entweder eine Wärmepumpe oder einen einfachen Wärmetauscher. Ignorieren wir die lästigen praktischen Aspekte des Schmelzens von Metallen und all das Zeug und schauen wir uns nur die theoretische Seite an.

Wenn Sie Wärme aus dem Abgas zurückgewinnen und in die Brennkammer zurückführen, wie wirkt sich dies auf die Effizienz des Motors aus? Wenn wir die Wärme mithilfe einer Wärmepumpe in die Brennkammer leiten und Wärme aus dem Abgas in die Kammer pumpen, könnten wir dann noch höhere Wirkungsgrade erzielen? Während "Ja/Nein"-Antworten ausreichen würden, wäre ich viel mehr an einer thermodynamischen Erklärung und möglicherweise sogar an Schätzungen der theoretischen Effizienz interessiert, die mit dem Carnot-Zyklus zum Pumpen der Wärme erreicht werden könnte.

Auf die praktische, wurde so etwas mit experimentiert? Meines Wissens haben wir keine Wärmepumpen, die bei 2000 Grad Celsius arbeiten und Wärme schnell genug pumpen können, um sie mit jedem Motortyp zu vergleichen, aber vielleicht hat jemand mit einfachen Wärmetauschern experimentiert, z. B. wie Raketentriebwerke regenerative Kühlung verwenden (für verschiedene Zwecke). zwar, aber immer noch ähnlich).

Welche Effizienz meinen Sie, Kraftstoffeffizienz oder thermodynamische und / oder Antriebseffizienz? Die Wärmerückgewinnung ist sehr vorteilhaft für die Kraftstoffeffizienz!
Sie würden wahrscheinlich den Motor zu schwer zum Fliegen machen. Die Wärmerückgewinnung wird in elektrischen Gasturbinengeneratoren (die im Grunde Strahltriebwerke sind) verwendet. So sieht die Ausrüstung aus: en.wikipedia.org/wiki/Heat_recovery_steam_generator
Eine Denkübung legt nahe, dass Sie mehr Energie emittieren, wenn der Unterschied in der Luft größer ist, wenn Sie den Unterschied in der Energie in der Luft messen, bevor das Fahrzeug durchfährt, und danach. Bei der Verbrennung oder Stromerzeugung möchten Sie einen Sog auf der Rückseite der Turbine, da der Schub zu einem Generator transportiert wird. In einem Jet erhalten Sie Schub durch Impulsübertragung. Die kinetische Wärmetheorie besagt, dass ein höherer mittlerer Gasimpuls eine höhere Temperatur bedeutet. Außerdem erfordert die Wärmeübertragung einen Temperaturunterschied, und das Prinzip von Le Chatelier ist eine harte Geliebte.

Antworten (3)

Durch das Entziehen von Wärme aus dem Auspuff wird es gekühlt und komprimiert, wodurch es verlangsamt und der Schub verringert wird. Die Rückführung der Wärme in die Verbrennung oder stromabwärts der Verbrennung erhöht die Temperatur an diesem Punkt und stromabwärts bis zum Entnahmepunkt. Die unvermeidlichen thermodynamischen Verluste führen dazu, dass die zurückgeführte Wärme die entnommene Wärme nicht ganz kompensiert und der Gesamtwirkungsgrad etwas sinkt.

Was den Wirkungsgrad verbessert, ist das Durchsaugen zusätzlicher Luftmasse, um den Abgasmassenstrom zu erhöhen, selbst auf Kosten einer niedrigeren Gesamtgeschwindigkeit und -temperatur. Das macht der Bypass-Turbofan.

Eine radikalere Modifikation besteht darin, die Brennkammer gegen einen Wärmetauscher auszutauschen und das Gas über heißes Fluid von einer externen Quelle zu erhitzen; Je heißer die Flüssigkeit, desto besser. Ich habe gesehen, dass dies für die Wasserstoff-Turbopumpe zumindest in einigen Versionen des luftatmenden Raketentriebwerks SABRE vorgeschlagen wurde. Es wurde in den 1950er Jahren auch für Atombomber vorgeschlagen, obwohl ich mich nicht erinnern kann, ob diese sowohl Turbojets als auch Ramjets enthielten.

Ein paar Anmerkungen:

  1. Das Reaktionsstrahltriebwerk erzeugt Schub in der Schubdüse. In einem Unterschallmotor beschleunigt das Abgas zuerst im konvergenten Abschnitt der Düse und expandiert dann im divergenten Abschnitt. Beim Ausdehnen verliert das Gas nicht nur kinetische Energie, sondern kühlt auch ab. Da der Schub im letzten Abschnitt der Düse entwickelt wird, würde ein Wärmetauscher weiter unten tatsächlich den Schub verringern, indem die Expansionsfähigkeit des Gases verringert wird.
  2. Es gibt ein reaktives Strahltriebwerk, das einen Wärmetauscher verwendet. Heißt Saber und der Entwickler hat versucht, das Problem des suborbitalen Fluges mit nur einem Triebwerk zu lösen. Beim Start fungiert das Triebwerk als Reaktionsstrahl. Sobald die Drehzahl den Einsatzbereich des Axialkompressors überschreitet, kühlt ein im Lufteinlass platzierter Wärmetauscher die Luft ab, um die Effizienz des Axialkompressors auch bei Überschallgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Der Luftstrom durch den Motor bleibt Unterschall. Beim Auspuff liefert der Nachbrenner jedoch den zusätzlichen Schub, der erforderlich ist, um Geschwindigkeiten in der Nähe von Mach 5 bis 7 aufrechtzuerhalten. Dieser Motor verbrennt Wasserstoff und verwendet flüssiges Helium als Kühlmittel, so der Entwickler. Dies ist ein mutiges Unterfangen eines privaten Entwicklers.
  3. Um Ihre Frage zu beantworten: Der Sabre ist ein Beispiel für die Verwendung eines Wärmetauschers im Lufteinlass. Die einzige Kühlung im Abgas soll die heiße Seite betriebsbereit halten und nicht dem Abgas Energie entziehen, da dies den Schub beeinträchtigen würde.
Ich könnte mit 1. ein bisschen streiten. Ich würde sagen, die Reaktion wird entlang des gesamten Wegs vom Auslass des Brenners nach hinten erzeugt, aber hauptsächlich zwischen der Turbine und der Düse, da die Strömung durch die Konvergenz gezwungen wird, sich zu beschleunigen. Auch Motoren ohne Nachverbrennung haben keinen divergenten Düsenabschnitt. Es verengt sich zum Düsenaustritt und das wars. Der "divergente" Teil ist nur offener Raum. Der divergente Düsenabschnitt ist nur an einer Nachbrennerdüse vorhanden und nur während der Wiedererhitzung.
Die Reaktionskraft im Reaktionsstrahl tritt nur an zwei Stellen auf: im Axialverdichter und in der divergenten Stufe der Schubdüse. Der Turbofan nutzt den Verdichterschub aus, indem er Bläserstufen verwendet. Die Austrittsdüse wird innen durch einen feststehenden Diffusorkegel und außen durch eine verstellbare Schale gebildet. Selbst wenn die einstellbare Schale vollständig geschlossen ist, bildet sie immer noch eine ringförmige divergente Düse. Normalerweise fehlt die konvergierende Seite der Düse, da die Turbine dem Abgas Arbeit entzieht, wodurch eine erneute Komprimierung des Gases nach der Turbine den Wirkungsgrad verringern würde.
Im Grunde würde also jeder Versuch, Wärme zurückzugewinnen, zu einer verringerten Ausdehnung und damit zu einem verringerten Schub und Wirkungsgrad führen?
Kühlt man das Abgas ab, sinkt die Geschwindigkeit (Geschwindigkeit ist temperaturabhängig) und die Strömungsader zieht sich zusammen; es wird dichter und langsamer. Es wird nicht mehr Druck auf die Wände der divergierenden Düse ausgeübt (tatsächlich wird der Druck aufgrund der Kontraktion abnehmen), daher wird weniger Schub erzielt. Wenn Sie jedoch die Ansaugluft kühlten, trat dichtere Luft in den Kompressor ein. Die Luft wird dann komprimiert und gleichzeitig erwärmt, aber ausgehend von einer niedrigeren Temperatur ergibt der Endzustand einen höheren Druck.
Lese ich das richtig? Der Wärmetauscher kühlt die Ansaugluft, richtig? Das wäre sinnvoll, da Sie die Ansaugluft so dicht wie möglich haben möchten.
@Dean F. Ja, so funktioniert es.

Theoretisch würde es in einem unendlich effizienten System keinen Nettounterschied geben. Die im Abgas verlorene Energie würde der Brennkammer wieder zugeführt, um im Abgas wieder verloren zu gehen. Vielleicht könnten Sie diesen Motor auf der Wärmetauscherseite verwenden, um ein anderes System zu betreiben, ohne Motorleistung zu verlieren. Aber es gibt nie etwas umsonst. Obwohl ich gelesen habe, dass der Kühler mit Motorhaube für den Spitfire mit Kolbenmotor als Nebenprodukt eine kleine Menge Schub erzeugt hat.

Dies alles beruht darauf, dass die Wärmeenergie in oder nach der Brennkammer wieder in das Gesamtsystem abgegeben wird. Wenn es vor den Kompressoren ist, würde es die Dichte der einströmenden Luft verringern. Ihr Schub basiert auf der Masse der beschleunigten Luft. Wenn es in die Kompressoren geleitet wird, kann diese Energie bis zu dem Spitzenbetrag verloren gehen, den die Kompressoren Dichte und Druck erhöhen können. Sie würde bei der derzeitigen Art und Weise, wie Kompressoren überschüssige Wärme abgeben, verloren gehen. Wenn die Kompressoren aus Materialien hergestellt werden könnten, die nicht vor übermäßiger Hitze geschützt werden müssten, wäre es nicht erforderlich, dass der Wärmetauscher Wärme hinzufügt. Es wäre bereits als Nebenprodukt der Kompression vorhanden. Daher müssten Sie es nicht aus dem Auspuff rauben.

Das in den Spitfire-Heizkörpern verwendete "Meredith"-System war nur ein embryonaler thermischer Staustrahl: Gas wurde durch einen asymmetrischen Kanal geleitet und in der Mitte erhitzt.
Die Effizienz der Verbrennungszone ist größer, wenn der Kompressor kühlere Luft liefert. Turbogeladene Kolbenmotoren haben manchmal eine Ladeluftkühlerstufe nach der anfänglichen Kompression.
Wie würde sich die Rückgewinnung der Abgaswärme in die Brennkammer auf die Effizienz eines Strahltriebwerks auswirken?
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