Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Точнее, указанные параметры не должны изменяться при переходе от одних условий эксплуатации к другим. В последующих главах будут описаны механизмы разрушения основных представителей разрушающихся теплозащитных материалов. Для. определенности каждый раз будут указаны некоторые «эталонные» материалы данного класса. Эксперименты указали на некоторую с<консервативность» механизма разрушения к химическому составу: небольшие добавки инородных компонент не меняют существа зависимостей параметров разрушения от характеристик набегающего газового потока.
Поэтому все представленные численные результаты могут быть распространены на целую группу материалов. Глава шестая СУБЛИМИРУЮЩИЕ И РАЗЛАГАЮЩИЕСЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Сублимирующие материалы При интенсивном нагреве все теплозащитные материалы претерпевают поверхностные или объемные физико-химические превращения. Характер. ным примером первых является сублимация или испарение, а вторых — деструкция (пиролиз), деполимеризация материалов, объединенные термином «термическое разложениехь При воздействии теплового потока на теплозащитное покрытие может происходить переход вещества из твердой фазы непосредствено в газообразную.
Если этот процесс идет на поверхности, к которой подводится конвективный тепловой поток, говорят о сублимирующем покрытии. В качестве сублимирующего покрытия при атмосферном давлении и соответствующих температурных условиях могут выступать сухой лед (твердая углекислота), нафталин, графит и другие материалы. Следует отметить, что в определенных условиях практически все вещества могут сублимировать, достаточно лишь, чтобы давление паров материала над поверхностью было меньше давления паров в так называемой тройной точке.
В табл. 6-1 приведены температуры и давления в тройной точке для перечисленных выше веществ. При превышении этого давления вещества перестают сублимировать, что проявляется в возникновении на их поверхности жидкой пленки. Для примера на рис. 6-1 приведена диаграмма состояния СО,. Рассмотрим, чем определяется скорость уноса в режиме сублимации.
,'увлимнрующие и раалагающиеся покРытия т а 0 л ни в 0-1, Давление, темпеРатУРа н теплота испарения некотоРых веществ в тройной точке Вещество 560 400 2!5 353 4200 5,0 0,015 110 СОт Нафталин Графит Известно, что массовая скорость испарения с поверхности определяется формулой Кнудсена — Ленгмюра: б, ( в 'гг 2пйТ (МТ (б-1) 4 2 0,1 4 2 0,01 36 где а — так называемый коэффициент аккомодации, который может меняться от ! (металлы) до очень малых величин (1О-о для красного фосфора); р", — давление насыщенных паров вещества при температуре Т; ро — давление паров вещества над поверхностью; М, — молекулярная масса; ҄— температура поверхности сублимирующего вещеРнс. ач.
Фаоовая диаграмма для углекнс- ства. лоты СО,(суноа лед!. Структура формулы, в числитеПа 1йха т. ле которой стоит разность двух величин р" ,и рь указывает на то, что Тройная скорость испарения есть разность двух потоков массы. При отсутствии та равновесия р",Фрь Если р," рь то ве1цество будет удаляться с поверхев ся ности, т. е. будет иметь место унос массы, если р;)р,", то, наоборот, будет происходить осаждение молекул на поверхности. Обратный испарению процесс называется конденсат цией.
Скорость обратного процесса 130 100 1тй 100 йн 230 н пропорциональна числу молекул в единице объема, т. е, парциальному давлению молекул рассматриваемого вида над разрушающейся поверхностью. При испарении в замкнутую полость с течением времени обязательно наступает. состояние динамического равновесия, когда скорость конденсации равна скорости испарения. Соответствующее парциальное давление называется давлением насыщенного пара. Сублимирующие мате В задачах, связанных с тепловой защитой, процесс сублимации протекает неравновесно.
Это обусловлено диффузионным и конвективным уносом продуктов сублимации илн испарения во внешний поток. Для того чтобы рассчитать парциальное давление 1-й компоненты р; в облаке паров над поверхностью (на расстоянии длины свободного пробега), необходимо рассмотреть баланс массы этой компоненты в пограничном слое. Перенос массы происходит за счет конвекции и диффузии (второе слагаемое): 6, „= ~р, тт„= тт„с, — р (с,, — с, ), (6-2) где ~рс — содержание счй компоненты; р — коэффициент массообмена; с — массовая концентрация. Во внешнем потоке сс,=О, а для однородных веществ содержание (-й составляющей в материале ~ус=1.
Для оценок можно воспользоваться аналогией между тепло- н массообменом р= (о/ср) и, получим: О 1)(с — с; ) (а/с ) р М с~и РеМз Р Мс Подставляя (6-1) в (6-3) и учитывая, что Мв=М„получаем соотношение для оценки степени неравновесности процесса, т. е. отношение парциального давления к давлению насыщенного пара: и (сс/ср), ~/ 2и — Т, Рс М~ (6-4) !в Рс и (Ме(МВ (Ре РВ Прежде всего заметим, что чем меньше отношение р;/ри„тем больше неравновесность процесса. Из уравнения (6-4) видно, что степень неравновесности р;/р", возрастает с увеличением температуры и коэффициента теплообмена и убывает с ростом давления р..
Если давление в облаке паров над поверхностью р; существенно ниже давления насыщенного пара р",, например при сублимации в вакууме, то режим разрушения называется кинетическим. В противоположном случае мы имеем дело с равновесной сублимацией. Ясно, что между этими предельными режимами имеется переходный участок. Давление насыщенного пара над поверхностью сублимации в соответствии с уравнением Кла- При выводе (6-3) использовали связь парциальных давлений с массовой концентрацией: р М м с См или р =с. р —. 1 пиеМ е Сублимирующие и разлагающиеся материалы пейрона — Клаузиуса для кривой фазового равновесия определяется р" (Тм) = ехр (К вЂ” (й(4„,п М(ЙТм)э (6-5) где ЛЯи,„— теплота сублимации; М вЂ” молекулярная масса пара; )( — универсальная газовая постоянная; К вЂ” экспериментальная константа.
Коэффициент аккомодации а, который также называют коэффициентом испарения, прилипания или конденсации, показывает, какая доля молекул из числа соударившихся с поверхностью адсорбируется ей. Коэффициент аккомодации для различных веществ меняется в широких пределах (табл. 6-2). Та блица 6-2. Коэффициент аккомодации некоторых материалов (Л, 6-3; 6-221 КоэфФициент аккамоцацвв а Вещество дкапаэон температтр, К 1170 †15 1180 †14 1320 †!870 2070 †25 1320 — 1600 1650 †18 2520 †33 1 1 1 1 1 0,5 — 1,0 1 Бериллий Медь Железо Молибден Никель Титан Вольфрам Углерод С Углерод С, Углерод Сэ Углерод Сэ Вода (лед) Вода (лед) Фосфор красный Иод Бензол Хлороформ Камфара (синтетическая) Метиловый спирт Нафталин 2670 2670 2670 2670 (214) — (232) (188) — (213) 580 †7 0,4 0,3 О,! 10 — 3 0,5 — 1,0 0,94~0,06 !О а — 10 310 †3 280 275 260 270 310 †3 0,055 †,208 0,9 0,16 0,139 0,045 0,135 (6-6) Теплота испарения 7!(;)„,„слабо зависит от температуры поверхности Т .
Так, для СОз при изменении Т„от 170 до 215 К (что соответствует изменению давления паров от 0,01 до 0,5 МПа) гх(;~„, изменяется на 7ого Обычно величина ЛЯ~о~ приводится в таблицах, однако в случае отсутствия таких таблиц она может быть вычислена по уравнению Клапейрона — Клаузиуса, записанному в несколько ином виде: Ья — ~ 7'з о(!пр (7) 138 М г(Т Механизм разложения термс В реальных условиях на поверхности может оказаться нескольк конденсированных веществ. Например, в пленке расплава асбеста пр высоких температурах существуют ЬсОм МнО и С. В этом случае уран пение Кнудсена — Ленгмюра применяется к каждой компоненте в от дельности.
Однако при отнесении потока массы ко всей поверхностз нужно вводить коэффициент ее заполнения (-й компонентой срп лс (Рс Рс) срс бс = Р 2нЯТ,)Мс (66 При сублимации с поверхности углерода в его парах могут содер жаться не только одноатомные, но и многоатомные молекулы: Сз, С,, Ст (Л. 6-4~. При этом каждая молекула образуется в результате сублн мацин твердой фазы. В этом случае (6-( Сублимация может сопровождаться серией химических реакций меж ду твердой поверхностью и продуктами сублимации, с одной стороны и компонентами внешнего потока — с другой.
Это, естественно, сильн осложняет анализ, поскольку требует учета изменения состава газ. в пограничном слое. Поэтому все сказанное выше относится к случаю когда процесс испарения не осложнен диссоциацией соединения или хи мическим взаимодействием паров с внешним потоком.
В качестве при мера более сложного процесса сублимации в последующем будет рас смотрено испарение кварцевого стекла (гл. 8). В качестве компонентов теплозащитных материалов часто прнмен ются полимеры. Это вещества с большой молекулярной массой, равно десяткам и сотням тысяч, а иногда и миллионам, причем макромолек лы полимеров состоят нз большого числа одинаковых элементов (мономерных единиц) с низкой молекулярной массой. Структура поли' меров может быть линейной — А — А — А — А — или сетчатой: ! ! †А †А †А †; ! ~ ! -А †А †А †; ! Механизм разложения термопластнчньп теплозащнтных материало Суелимирующие и разлагающиеся материалы Современная наука о теплозашитных материалах различает понятия теплостойкости и термостойкости полимеров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
