¿Cómo afectaría la recuperación del calor de los gases de escape a la cámara de combustión la eficiencia de un motor a reacción?

Entonces, un motor a reacción básicamente aspira aire, lo calienta y lo escupe, ¿verdad? Cuanto más caliente se vuelve el aire, más rápida es la velocidad de escape y, por lo tanto, más eficiente (impulso específico más alto).

Ahora mi pregunta es cómo se ve afectado todo esto si usa un sistema de recuperación de calor, ya sea una bomba de calor o un simple intercambiador de calor. Ignoremos los molestos aspectos prácticos de la fusión de metales y todo eso y solo miremos el lado teórico.

Si recupera el calor del escape y lo devuelve a la cámara de combustión, ¿cómo afecta esto a la eficiencia del motor? Si tuviéramos que aplicar el calor en la cámara de combustión usando una bomba de calor, bombeando el calor del escape a la cámara, ¿podríamos obtener eficiencias aún mayores? Si bien las respuestas "Sí / No" serían suficientes, estaría mucho más interesado en una explicación termodinámica y posiblemente incluso en algunas estimaciones de la eficiencia teórica que podría alcanzarse utilizando el ciclo de Carnot para bombear el calor.

En lo práctico, ¿se ha experimentado algo así? Que yo sepa, no tenemos bombas de calor capaces de operar a 2000 grados centígrados y bombear calor lo suficientemente rápido como para compararlas con cualquier tipo de motor, pero tal vez alguien haya experimentado con intercambiadores de calor simples, como la forma en que los motores de cohetes usan enfriamiento regenerativo (para diferentes propósitos). aunque, pero todavía similar a esto).

¿Qué eficiencia está insinuando, eficiencia de combustible o termodinámica y/o eficiencia de propulsión? ¡La recuperación de calor es muy beneficiosa para la eficiencia del combustible!
Probablemente haría que el motor fuera demasiado pesado para volar. La recuperación de calor se utiliza en generadores eléctricos de turbina de gas (que son básicamente motores a reacción). Así es como se ve el equipo: en.wikipedia.org/wiki/Heat_recovery_steam_generator
Un ejercicio de pensamiento sugiere que si mide la diferencia en la energía dentro del aire antes de que el vehículo pase y después, está emitiendo más energía si la diferencia es mayor. En combustión interna o generación de energía, desea una succión en la parte posterior de la turbina porque el empuje se transporta a un generador. En un jet, obtienes empuje de la transferencia de impulso. La teoría cinética del calor dice que un momento medio más alto del gas es una temperatura más alta. Además, la transferencia de calor requiere una diferencia de temperatura, y el principio de Le Chatelier es una norma estricta.

Respuestas (3)

La extracción de calor del escape lo enfriará y lo comprimirá, lo que lo ralentizará y reducirá el empuje. Recircular el calor hacia atrás o aguas abajo de la combustión elevará la temperatura en ese punto y aguas abajo hasta el punto de extracción. Las pérdidas termodinámicas inevitables significan que el calor devuelto no compensa del todo el calor extraído y la eficiencia general caerá un poco.

Lo que mejora la eficiencia es extraer masa de aire adicional para aumentar el flujo de masa de escape, incluso a expensas de una velocidad y temperatura generales más bajas. Esto es lo que hace el turboventilador de derivación.

Una modificación más radical es cambiar la cámara de combustión por un intercambiador de calor y calentar el gas a través de un fluido caliente de una fuente externa; cuanto más caliente sea el líquido, mejor. He visto esto propuesto para la turbobomba de hidrógeno en algunas versiones al menos del motor cohete de respiración de aire SABRE. También se propuso para bombarderos de propulsión nuclear en la década de 1950, aunque no recuerdo si incluían turborreactores y estatorreactores.

Un par de comentarios:

  1. El motor a reacción produce empuje en la tobera de escape. En un motor subsónico, el gas de escape primero se acelera en la sección convergente de la tobera y luego se expande en la sección divergente. Al expandirse, el gas no solo pierde energía cinética sino que también se enfría. Dado que el empuje se desarrolla en la última sección de la boquilla, tener un intercambiador de calor más abajo en realidad reduciría el empuje al reducir la capacidad del gas para expandirse.
  2. Hay un motor a reacción reactivo que utiliza un intercambiador de calor. Se llama Sabre y el desarrollador intentó resolver el problema del vuelo suborbital usando un solo motor. En el despegue, el motor funciona como un chorro de reacción. Una vez que la velocidad excede el rango de usabilidad del compresor axial, un intercambiador de calor colocado en la entrada de aire enfría el aire para mantener la eficiencia del compresor axial incluso a velocidades supersónicas. El flujo de aire a través del motor sigue siendo subsónico. Sin embargo, en el escape, el dispositivo de poscombustión proporciona el empuje adicional necesario para mantener velocidades cercanas a Mach 5 a 7. Este motor quema hidrógeno y utiliza helio líquido como refrigerante, o eso dice el desarrollador. Esta es una empresa audaz de un desarrollador privado.
  3. Para responder a su pregunta: El Sabre es un ejemplo del uso de un intercambiador de calor en la entrada de aire. El único enfriamiento en el escape está destinado a mantener el lado caliente en funcionamiento y no a extraer energía de los gases de escape porque eso afectará el empuje.
Podría discutir con 1. un poco. Diría que la reacción se genera a lo largo de todo el camino desde la salida de la lata del quemador hacia atrás, pero principalmente entre la turbina y la boquilla, ya que la convergencia obliga al flujo a acelerarse. Además, los motores sin postcombustión no tienen una sección de boquilla divergente. Se estrecha hasta la salida de la boquilla y eso es todo. La parte "divergente" es solo un espacio abierto. La sección de boquilla divergente solo está presente en una boquilla de poscombustión y solo durante el recalentamiento.
La fuerza reactiva en el chorro de reacción ocurre en dos lugares solamente: en el compresor axial y en la etapa divergente de la tobera de escape. El turboventilador aprovecha el empuje del compresor empleando etapas de ventilador. La tobera de escape está formada por un cono difusor fijo en el interior y una carcasa orientable en el exterior. Incluso cuando la carcasa ajustable está completamente cerrada, todavía forma una boquilla divergente en forma de anillo. Por lo general, falta el lado convergente de la boquilla porque la turbina extrae trabajo de los gases de escape, por lo que volver a comprimir el gas después de la turbina reduciría la eficiencia.
Entonces, básicamente, ¿cualquier intento de recuperar calor daría como resultado una menor expansión y, por lo tanto, una disminución del empuje y la eficiencia?
Si enfría los gases de escape, la velocidad disminuye (la velocidad depende de la temperatura) y la vena de flujo se contrae; se vuelve más denso y más lento. No se ejercerá más presión sobre las paredes de la tobera divergente (de hecho la presión disminuirá por contracción), por lo que se conseguirá menos empuje. Sin embargo, si enfrió el aire de admisión, entonces entró aire más denso al compresor. Luego, el aire se comprimirá y calentará de la misma manera, pero a partir de una temperatura más baja, el estado final dará como resultado una presión más alta.
¿Estoy leyendo esto correctamente? El intercambiador de calor está enfriando el aire de admisión, ¿verdad? Eso tendría sentido, ya que desea que el aire de admisión sea lo más denso posible.
@Dean F. Sí, así es como funciona.

Teóricamente, en un sistema infinitamente eficiente, no habría diferencia neta. La energía perdida en el escape se agregaría nuevamente a la cámara de combustión para perderse nuevamente en el escape. Tal vez, podría usar este motor lateral de intercambio de calor para hacer funcionar otro sistema sin perder la potencia del motor. Pero, nunca hay algo por nada. Aunque he leído que el radiador encapuchado para el motor de pistón spitfire produjo una pequeña cantidad de empuje como subproducto.

Todo esto se basa en el hecho de que la energía térmica se devuelve a todo el sistema en o después de la cámara de combustión. Si es antes de los compresores, reduciría la densidad del aire que ingresa. Su empuje se basa en la masa del aire que se acelera. Si se vierte en los compresores, esa energía puede perderse en la cantidad máxima que los compresores pueden aumentar la densidad y la presión. Se perdería en la forma actual en que los compresores arrojan el exceso de calor. Si los compresores pudieran estar hechos de un material que no necesitara protección contra el exceso de calor, entonces no habría necesidad de que el intercambiador de calor agregara calor. Ya estaría allí como un subproducto de la compresión. Por lo tanto, no necesitarías robarlo del escape.

El sistema "Meredith" utilizado en los radiadores Spitfire era solo un estatorreactor térmico embrionario: gas canalizado a través de un conducto asimétrico y calentado en el medio.
La eficiencia de la zona de combustión es mayor si el compresor entrega aire más frío. Los motores de pistón turboalimentados a veces tienen una etapa de intercooler después de la compresión inicial.
¿Cómo afectaría la recuperación del calor de los gases de escape a la cámara de combustión la eficiencia de un motor a reacción?
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