Se os jatos carregassem O2 puro para usar na combustão, eles seriam mais eficientes?

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O ar está em torno de 21% de oxigênio. A maior parte do ar é nitrogênio não inflamável. Não cercar o combustível de aviação com apenas O2 cria uma combustão mais eficiente e limpa?

    
por Jon Rausch 07.12.2014 / 18:30

4 respostas

Veículos que carregam seu oxidante com eles são chamados de foguetes. É bom que o ar não seja puro, porque o nitrogênio, empregado como gás de processo, ajuda a obter um trabalho útil do processo de combustão. Ao ser aquecido e acelerado no combustor, ele faz o trabalho principal de dirigir a turbina e transformar calor em trabalho mecânico. Os motores seriam ainda mais limpos se houvesse menos oxigênio por aí, porque já a 21% de R $ 2,00, eles operam a taxas de combustível para ar bem abaixo do estequiométrico ótimo.

Se você considerar a quantidade de ar que flui através do núcleo de um turbofan moderno, você verá que a quantidade de oxigênio que precisa estar disponível diminuirá a quantidade de combustível, e a maior parte não queimará, mas substituirá o nitrogênio. em seu papel como o gás de processo. Ele não poderia ser transportado com o avião nem isolado do ar ambiente, se qualquer carga útil significativa e alcance devessem permanecer.

Para obter informações básicas sobre o processo de combustão, consulte esta resposta .

    
07.12.2014 / 18:57

Então o peso do oxidante pesaria a aeronave. Para cada quilograma de octano puro (um dos componentes do combustível de aviação) você precisaria de cerca de 1,7 kg de O2 puro. Em outras palavras, dobraria o peso do combustível que você precisa trazer.

Também trazendo seu próprio oxidante é o que acontece com os foguetes, ele fornece maior empuxo e pode funcionar onde não há oxigênio disponível no ambiente, como no espaço.

    
07.12.2014 / 18:57

Não.

Como o freak de Ratchet já mencionou, carregar oxigênio pesaria uma aeronave.

Como Peter mencionou, um motor a jato bombeia ar e queima um pouco do oxigênio, não o total de 21% disponível. Muitas vezes queima menos da metade do oxigênio disponível.

A razão para isto é que a temperatura da chama "adiabática" (isto é, assumindo que não há transferência de calor) para a combustão completa de todo o oxigênio no ar é de cerca de 2000C. Acrescente a isso o fato de que o compressor pode pré-aquecer o ar de entrada até 500C em alguns casos, e você estaria olhando para uma temperatura na saída da câmara de combustão de 2500C.

Um motor a jato que poderia usar todo o oxigênio no ar que entra seria mais eficiente, de acordo com os princípios do ciclo de Carnot, mas a menos que fosse construído de "unobtanium" ele se fundiria e desmoronaria.

Um motor a jato precisa de uma turbina para fazer duas coisas. O primeiro é dirigir seu próprio compressor. A segunda é dirigir uma carga (uma hélice ou um ventilador). A turbina + prop / ventilador é necessária porque a velocidade de saída dos gases de exaustão seria muito alta para ser usada eficientemente para gerar empuxo. Portanto, colocar uma turbina no caminho de escape é inevitável

Um foguete não tem turbina no caminho de exaustão e, como resultado, pode funcionar a temperaturas extremamente altas geradas pela queima de oxigênio. Ele também tem velocidades de saída de escape extremamente altas, que são irremediavelmente ineficientes para o tipo de velocidades de veículos necessárias para a aviação geral, mas são excelentes para viagens espaciais, onde quanto mais energia você puder transmitir a cada tonelada de propulsor, menos propelente carregar. Também a maioria dos foguetes até agora tem sido de uso único, ao contrário dos motores a jato.

Portanto, estamos presos a motores a jato que não conseguem usar todo o oxigênio do combustível, devido a problemas com materiais. Uma maneira de aumentar o poder de um motor a jato (mas não a eficiência) é usar um pós-combustor. Esta é efetivamente uma segunda câmara de combustão, atrás da turbina, onde mais combustível pode ser queimado. Isso cria uma quantidade enorme de energia, mas relativamente pouco impulso extra. Lembre-se de energia cinética = 0.5mv ^ 2 enquanto momentum = mv. Você precisa combinar a velocidade de escape com a velocidade do veículo para uma geração de empuxo eficiente, e um pós-combustor não faz isso, já que sua finalidade não é a eficiência, apenas um aumento de potência rápido e sujo.

Existem alguns projetos na prancheta das turbinas a gás muito grandes nas usinas, onde o gás da turbina, tendo sido resfriado por expansão, é enviado para uma segunda câmara de combustão e depois através de uma segunda turbina, para permitir uma temperatura média de adição de calor mais alta e melhora a eficiência. No entanto, os benefícios são pequenos e, tanto quanto eu sei, ainda não foi tentado. Eu suspeito que sempre será muito complexo para a aviação.

Mais viável do que o oxigênio seria injeção de água. A água / vapor agora está sendo usada para o resfriamento de turbinas a gás industriais, o que reduz a quantidade de ar que deve ser bombeada pelo compressor, melhorando a eficiência. No entanto, você ainda teria que carregá-lo. Outra opção (também emprestada de turbinas a gás industriais) seria colocar um trocador de calor no fluxo dos gases de escape, a fim de gerar vapor para um propulsor ou ventilador movido a turbina a vapor. No entanto, eu não espero ver essas tentativas até que todo o petróleo do mundo esteja quase acabando!

    
08.12.2014 / 01:49

Basicamente, os motores de reação são mais eficientes em energia quanto maior a quantidade de propelente em relação ao combustível. Com um motor a jato, o propulsor é o ar que já contém mais oxigênio do que o necessário para queimar o combustível. Em teoria, isso pode mudar para uma aeronave muito rápida que requer velocidade de escape muito rápida, mas o design do motor teria que mudar muito para que ela seja relevante para a questão.

O benefício geral de queima mais eficiente (exceto alguns requisitos específicos de desempenho) também seria uma melhor eficiência de combustível. É improvável que a obtenção de melhor eficiência de combustível em detrimento do transporte de oxigênio adicional seja útil.

Eu realmente brinquei com um conceito para um motor semelhante à sua idéia, mas, como mencionado por outros, um motor que carrega seu próprio oxidante é basicamente um foguete, então meu conceito era realmente um fã sem foguete com características semelhantes aos motores a jato não um motor a jato real. Então, mesmo se aproximando da direção oposta, a resposta é "O design teria que mudar demais".

As pessoas realmente testaram motores com base no uso de conflagração ou detonação em vez de combustão para queima mais eficiente de combustível. Veja Pulso Detonation Engine por exemplo. Estes ainda caem na categoria de "O design teria que mudar muito". Observe também que eles não substituíram os motores a jato, apesar de o conceito ser conhecido há décadas. A Wikipedia tem muitos artigos sobre mecanismos raros ou experimentais. Você pode encontrar algo próximo da sua ideia.

    
08.12.2014 / 11:58

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