A injeção de água no escape poderia funcionar se:
- A água é totalmente evaporada antes de sair do escape do motor. O combustível injetado na câmara de combustão também deve ser totalmente evaporado para uma combustão efetiva, e isso leva algum tempo para o esforço final - e as temperaturas no combustor são maiores do que no escape.
- O vapor injetado neutraliza o efeito da contração do jato de escape devido à extração de calor para vaporizar a água (não parece, veja editar abaixo).
Os jatos militares mais antigos costumavam usar a injeção de água nos dias em que os motores a jato eram tubos estreitos e barulhentos. Realmente não é mais necessário, já que turbofans de alto desvio foram inventados: quase toda a energia no fluxo quente é usada para acionar a pá do ventilador e o ar de desvio. A injeção de névoa de água no motor ainda pode converter um pouco de calor residual em livre de propulsão livre, se não considerarmos a infraestrutura extra, tanques, tubulações, etc.
A reutilização do calor perdido nos escapamentos é uma idéia antiga aplicada pela primeira vez com o turboalimentador, patenteado por Alfred Büchi < em 1905. Em usinas elétricas, este princípio é usado em usinas de energia de ciclo combinado para o fornecimento de energia elétrica de ciclo combinado. how-it-works "> aumentar a eficiência global :
A combined-cycle power plant uses both a gas and a steam turbine together to produce up to 50 percent more electricity from the same fuel than a traditional simple-cycle plant. The waste heat from the gas turbine is routed to the nearby steam turbine, which generates extra power.
Uma turbina a vapor extrai energia rotacional do fluxo de exaustão da turbina a gás quente. Isso funciona para usinas de ciclo combinado por causa da dinâmica da transferência de calor, injetar água diretamente em uma turbina a gás de escape não faz muito para empuxo. Existem ideias melhores:
- Injetar água no compressor, que resfria o fluxo e aumenta a densidade do ar. Como o volume interno do motor é fixo, o aumento da densidade significa um fluxo de massa de ar maior através do motor. A ciência por trás disso é mais explicada neste documento da NACA de 1947 . Menciona relações água / ar de 0,05, resultando em um aumento adicional de 5% no fluxo total de massa.
- Injete combustível no fluxo de escape! Nos antigos turbojatos ainda havia muito oxigênio no fluxo de escape, combinado com as altas temperaturas que dão impulso ao pós-combustor.
- Use um ventilador de derivação e extraia mais energia do escapamento para a turbina que aciona o ventilador.
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O vapor expande, mas os contratos de gases de escape mais frios. Injetar a água aumenta o fluxo de massa com o peso da água. O efeito total é benéfico? Por meio de uma verificação de fundo do envelope, poderíamos considerar um volume de gás de exaustão em alta temperatura e verificar como o volume muda depois de injetar água para criar vapor.
Se tomarmos 10 m $ ^ 3 $ de gás de escape (ar) a 1000 K, e injetarmos uma quantidade de água m $ _w $ nele para que a temperatura abaixe para 800 K, o gás de exaustão irá se contrair. Quanta água nós injetamos, e o vapor superaquecido resultante tem um volume maior do que a contração devida à temperatura? Tudo a pressão constante de 100 kPa.
- 10 m $ ^ 3 $ gás de exaustão (ar) a 1000 K pesa 3,8 kg (fonte)
- a 1000K, C $ _p $ de ar é 1,14 kJ / kg.K (fonte)
- para trazer 3,8 kg de ar de 1000 a 800 K, precisamos extrair $ 1,14 \ cdot 200 \ cdot 3,8 $ = 866 kJ
- para transformar 1 kg de água a 300 K para vapor a 800 K, precisamos de 3444 kJ: C $ _p $ de água, entalpia de água de transição de fase - > vapor, C $ _p $ de vapor (fonte) .
- então precisamos injetar 866/3444 = 0,25 kg de água.
O ar de escape reduziu em volume: 3,8 kg de ar @ 800K é 8,26 $ m ^ 3 $, por isso perdeu 1,74 $ m ^ 3 $ de aumento de densidade.
1 kg de vapor superaquecido a 800K tem um volume de 3,5 m $ ^ 3 $ (fonte) , então 0,25 kg leva 0,25 $ \ cdot $ 3,5 = 0,88 m $ ^ 3 $.
Conclusões:
- O volume de escape reduziu de 10 para (8,26 + 0,88) = 9,14 m $ ^ 3 $ = 8,6%.
- A massa aumentou de 3,8 kg para (3,8 + 0,25) = 4,05 kg = 6,6%
Devido à diminuição no volume total, a velocidade de escape do jato será menor. Impulso é fluxo de massa * velocidade de escape - o aumento no fluxo de massa não compensa a diminuição da velocidade.