Om jets bär ren O2 för att användas för förbränning, skulle de vara effektivare?

Fordon som bär deras oxidator med dem kallas raketer. Det är bra att luften inte är ren $ O_2 $, eftersom kvävet, som används som processgas, hjälper till att få användbart arbete från förbränningsprocessen. Genom att värmas upp och accelereras i förbränningen, gör det det viktigaste arbetet med att driva turbinen och förvandla värmen till mekaniskt arbete. Motorer skulle vara ännu renare om mindre syre är kvar, eftersom redan vid 21% $ O_2 $ de körs vid bränsle-till-luft-förhållanden långt under stökiometrisk optimalt.

För lite bakgrund på förbränningsprocessen, se det här svaret .

Då kommer oxidationsmedelets vikt att väga ner i flygplanet. För varje kilo ren oktan (en av komponenterna i jetbränsle) skulle du behöva cirka 1,7 kilo ren O2. Med andra ord skulle det dubbla vikten av bränslet som du måste ta med.

Att ta med din egen oxidator är vad som händer med raketer, det ger högre drivkraft och kan fungera där inget syre är tillgängligt i miljön som i rymden.

nr.

Som Ratchetfreak har redan nämnt, skulle transportera syre väga ett flygplan ner.

Som Peter har sagt, pumpar en jetmotor luft och bränner en del av syret, inte hela 21% tillgängliga. Ofta brinner den mindre än hälften av det tillgängliga syret.

Anledningen till detta är att "adiabatisk" (det vill säga, om ingen värmeöverföring är antagen), är flammetemperaturen för fullständig förbränning av allt syre i luft cirka 2000 ° C. Lägg till det faktum att kompressorn kan förvärma inkommande luft upp till 500C i vissa fall, och du skulle titta på en temperatur vid utgången av förbränningskammaren på 2500C.

En jetmotor som kan använda allt syre i inkommande luft skulle vara effektivare i enlighet med Carnot-cykelns principer, men om den inte är uppbyggd av "unobtanium" skulle den smälta och falla ihop.

En jetmotor behöver en turbin för att göra två saker. Den första är att driva sin egen kompressor. Den andra är att köra en last (antingen en drivare eller en fläkt.) Turbinen + prop / fläkt behövs eftersom utgångshastigheten för avgaserna är för hög för att användas effektivt för att generera drivkraft. Därför är det oundvikligt att sätta en turbin i avgasvägen

En raket har ingen turbin i avgasvägen och kan följaktligen springa vid extremt höga temperaturer som genereras av brinnande syre. Den har också extremt höga avgasutsläppshastigheter, som är hopplöst ineffektiva mot den typ av fordonshastighet som krävs för allmän luftfart, men är utmärkt för rymdresor, där ju mer energi du kan ge varje ton drivmedel, desto mindre drivmedel måste du bära. Även de flesta raketer hittills har varit enstaka, till skillnad från jetmotorer.

Så vi fastar med jetmotorer som inte kan använda allt syre i bränslet på grund av materialproblem. Ett sätt att öka kraften hos en jetmotor (men inte effektiviteten) är att använda en efterbrännare. Detta är effektivt en andra förbränningskammare, bakom turbinen, där mer bränsle kan brännas. Detta skapar en enorm mängd mer energi, men relativt lite extra dragkraft. Kom ihåg kinetisk energi = 0.5mv ^ 2 medan momentum = mv. Du måste matcha avgashastigheten till fordonets hastighet för effektiv tryckgenerering, och en efterbrännare gör inte detta, eftersom syftet är inte effektivitet, bara en snabb och smutsig effektförstärkning.

Det finns några mönster på ritbordet för de mycket stora gasturbinerna i kraftverk, där gasen från turbinen, som kylts genom expansion, skickas till en andra förbränningskammare och sedan genom en andra turbin för att möjliggöra en högre genomsnittlig värmetillförsel temperatur och förbättra effektiviteten. Men fördelarna är små och så vitt jag vet är det inte prövat än. Jag misstänker att det alltid kommer att vara för komplext för luftfart.

Livskraftigare än syre skulle vara vatteninjektion. Vatten / ånga används nu för kylning av industriella gasturbiner, vilket minskar den mängd luft som måste pumpas av kompressorn, vilket förbättrar effektiviteten. Du skulle dock fortfarande behöva bära den. Ett annat alternativ (även lånat från industriturbiner) skulle vara att sätta en värmeväxlare i avgasflödet, för att generera ånga för en ångturbindriven drivare eller fläkt. Men jag förväntar mig inte att se dessa försökte tills all olja i världen nästan har slutat!

Reaktionsmotorerna är i princip mer energieffektiva desto större är drivmedelsmängden i förhållande till bränsle. Med en jetmotor är drivmedlet luft som råkar redan innehålla mer syre än vad som behövs för att bränna bränslet. I teorin kan detta förändras för ett mycket snabbt flygplan som kräver mycket snabb avgashastighet, men motordesignen måste ändras för mycket för att den ska vara relevant för frågan.

Den allmänna fördelen av effektivare bränning (med undantag för ett visst prestandabehov) skulle också vara bättre bränsleeffektivitet. Att få bättre bränsleeffektivitet på bekostnad av att transportera extra syre är osannolikt att vara användbart.

Jag lekte faktiskt med ett koncept för en motor som liknar din idé, men som nämnts av andra, är en motor som bär sin egen oxidator i grunden en raket, så mitt koncept var verkligen en raketdriven bladlösa fläkt med egenskaper som liknar jetmotorer inte en verklig jetmotor. Så till och med närmar sig det från motsatt håll är svaret "Designen måste byta för mycket."

Människor har faktiskt testade motorer baserade på användning av förbränning eller detonation istället för förbränning för effektivare bränsling av bränsle. Se till exempel Pulse Detonation Engine . Dessa faller fortfarande i kategorin "Designen måste förändras för mycket." Observera också att de inte har ersatt jetmotorer trots att konceptet varit känt under årtionden. Wikipedia har många artiklar om sällsynta eller experimentella motorer. Du kan hitta något nära din idé där.