Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Первое то, что максимум скорости 68(т) может значительно превышать квазистацнонарное значение, определяемое уравнением (9-16). И второе: этот максимум наступает до того, как существенную роль начинает играть поверхностное разрушение. Тем самым оказывается возможным разделение внутренних и поверхностных физико-химических превращений по крайней мере в тех случаях нестационарного нагрева, когда температура разрушения существенно превосходит температуру коксования Т*.
В этом случае при анализе нестационарного разрушения можно использовать зависимости 6п (Т ), вычисленные или измеренные при квазистапяонарнам разрушении, когда справедливо уравнение (9-16). Сравнение вариантов, приведенных на рис. 9-7, показывает, что уменьшение энергии активации (Е|гт) или увеличение множителя В приводит к росту максимального значения расхода газов 68.
При этом, как следует из табл. 9-1, одновременно происходит уменьшение температуры коксования Т*, а следовательно, увеличивается роль фильтрационных процессов в переносе тепла внутри теплозащитного покрытия. Именно этим объясняется влияние кинетических констант (Е1тт) и В на скорость Рве. 9-8. Зависимость расхода газообразных продуктов разложения от времени н массовой доли смолы гром 0,24 'гРЧ 'гй à — гр и=о,а; у — О Олб (индекс О соответствует параметрам квази. «тацнонарнаго разрушения кварце- ваго стеклах 0,$0 0,00 т 0,2 0,4 0,0 0,0 40 Уноса массы 6п и температуру поверхности Т„[Л. 9-61.
В частности, при Уменьшении Т* зависимость 6п (т) смещается вниз как на участке не- стационарного прогрева, так и в зоне установившегося процесса. Это равносильно увеличению теплоемкости однородного стеклообразного 200 материала. Температура поверхности чувствительна к изменению кнне- Процессы на поверхности стекло тических констант лишь на участке неустановившегося прогрева, тог1 как ее квазистационарное значение оказывается для всех вариант~ близким к значению этой температуры для однородного стекла. Все приведенные выше результаты относились к стеклопластику массовым содержанием смолы ~р* — — 0,15 и коксовым числом К=0 Представляют интерес расчеты прогрева и термического разложения териала при вариациях р* или коксового числа (рис.
9-8). Видно, ч расход газообразных продуктов пропорционален ~рс только на квазис ционарном участке (см. уравнение (9-16)), тогда как на участке пест ционарного прогрева влияние указанных параметров несколько слаб Зависимость основных параметров разрушения от теплофизическ1 свойств газообразных продуктов разложения смолы достаточно слаба влияние этих свойств можно учитывать по формулам квазистационарн го разрушения. Процессы на внешней поверхности композиционных материале (стеклопластико~ Отличие стеклопластика от однородного стекла проявляется не тол ко в твердой или жидкой фазе.
Выделение газообразных продуктов те мического разложения и вынос пленкой расплава твердых коксовых ч стиц существенно перестраивает процессы в пристеночном газовом сл Даже в тех случаях, когда пленка расплава на поверхности стеклопл~ стика не образуется, определяющую роль в процессе разрушения пр~ должает играть наполнитель — стекло, ибо оно является преобладав щей компонентой по массе и способно образовать механически прочны каркас. При разрушении стеклопластика через поверхность тела в пограни' ный слой поступают три типа газообразных компонент: летучие продукты термического разложения связующего; испарившиеся молекулы стекла; продукты горения твердого углерода — кокса, являющегося втори) ным продуктом термического разложения фенолформальдегидных и н( которых других типов связующих.
Взаимодействие двух последних газообразных компонент и опред( ляет своеобразие тепло- и массообмена на поверхности стеклопластико1 Следует заметить, что в пограничном слое газа над стеклопластико может присутствовать до 50 различных компонент. Однако влияние мнс гих из них иа результирующие параметры разрушения, такие как суп марный тепловой эффект физико-химических превращений ЛЯо ил скорость уноса массы 6„, оказывается достаточно слабым, поэтому пр' вильный выбор модели процесса и расчетной схемы является несыт важной задачей. Мы примем в дальнейшем, что нагретый поверхностный слой соде1 жит двуокись кремния 810,, свободный углерод С и газообразные пр~ Композиционные теплозащитные материалы дукты разложения связующего (в основном окись углерода СО и молекулярный водород Нз).
Кислород содержится как в молекуле стекла, так и в полимерных цепочках связующего, однако для выделения роли испарения мы будем учитывать его порознь, В численных примерах этого параграфа будут приняты следующие массовые содержания компонент, характерные для стеклопластика на фенолформальдегидном связующем: ~рс = 0 23' ерн = 0 02' ~ро = 0 05. (9-17) ~рзю — — 0,7; (9-18) Процесс испарения стекла будем описывать с помощью соотношения Кнудсена — Ленгмюра (см. гл. 8): н б мо,= )~тиКГ (Мз1о (9-19) В отличие от давления насыщенного пара р",, являющегося функцией только температуры поверхности, парциальное давление рз,.
зависит от всей совокупности физико-химических процессов в пограничном слое. Оно определяется интенсивностью диффузии (массообмеиа) поперек пограничного слоя, наличием кремний- и кислородосодержащих компонент, скоростью испарения и т.д. В случае композиционных материалов сложная взаимосвязь многих процессов может привести к неоднозначной зависимости скорости испарения от температуры поверхности.
Обозначив через р коэффициент массообмена, запишем баланс массы элемента кремния на разрушающейся поверхности: (зю и( з11 $!О) 3-' [ +1!' (9-20) где М, и М, — молекулярные массы соответствующих компонент. Массовая концентрация элемента кремния с, учитывает его содержание во всех компонентах, а именно: в двуокиси кремния 810,, окиси 810, чистом кремнии 81, различных карбидах и нитридах кремния и т.
д. Если термодинамические условия в пограничном слое благоприятствуют химическому взаимодействию молекул стекла $!Оз с присутствующими там компонентами, то расчет скорости испарения с помощью соотношений (9-19) и (9-20) требует знания результирующего состава газа с учетом этого взаимодействия. з52 Ограничимся случаем квазистационарного разрушения без образования пленки расплава, тогда суммарная скорость поверхностного разрушения б„пропорциональна скорости испарения стекла бгио, . б = бз о,lЧз;о, ° Пропессы на поверхпостн стекл Рассмотрим главные из этих реакций и определим интенсивность протекания. Необходимые для этого термодинамические данные прав~ дены на рис.
9-9, номера кривых на графике соответствуют следующ11 константам равновесия: Кр1 = Рис Рсорз!о (С1итаа Рс = Рс)' Крт = Ржо Ро', Р51о, ' н — 2 †1 . й — — 1 — 0 5 . Крб Ры,с Рс РЯ Рс ' 'нр4 17гинр51 "7н, — 1 — 1. р — 1 — 1. р5 Р5104 Рз!ОРСО РСО4' крб Рз!С Р51~С рзю РСО' — 1 — 05 — 1. й 2 -1 — 1 — 1. Крт = Рочрсорн ' Ржо Рж ~ ' рб = Рсн Рги Рж срсоргио' — н — 1. К вЂ” ! — Об. Крв Р51с Рз! Рс Рс ' Кр!0 Р51х Рз! 0 5 — 1 . й †! †1 . Кр11 Р$1 РО! РсчО "нр12 Рз! Р5!О Рсо, РсО ' — 2 . й — ! !р15 Рго Ржо,рено !р14 Рон рнрп,о н .
й" 0.5 — 1 . й' — — 1 — 1. 4Кр!5 Р5!О, 4Кр!6 Рс,н Рн, Рсн, 7Кр17 Рн, Рн,О РсО, РсО Кр!б = Рс,н, Рсорн, Рсрс Р51ОР51 ' К"= Р снРс.'н,рс(рс) 'РЙ.'Рй.". Испарявшаяся молекула двуокиси кремния стремится диссоциир~ вать на окись кремния и свободный кислород 5102 -510+ 0,50,. Равновесную степень протекания этой реакции можно рассчитат с помощью закона действующих масс; (р„.,1р„ю) =К„,(Т„~~)1Р,. (9-2 Если бы парциальное давление кислорода было известно, то степев диссоциации была бы функцией только температуры поверхности 1 и определялась с помощью термодннамических таблиц (Л.
9-9). Н рис. 9-9 отношение парциальных давлений рз,. и р,. в завнсимост от Т„ (кривая 2) приведено для давления кислорода ро = 1 105 П Видно, что в широком интервале температур степень диссоциации мол1 кул стекла превышает единицу, причем с уменьшением давления Ро как это следует из уравнения (9-21), этот параметр возрастает пропо1 ционально (1/) ро,). Очевидно, что диссоциация 5!02 является одним из важнейших процессов в механизме разрушения.
Сложнее обстоит дело с другими реакциями, затрагивающими крей ний. Так, более глубокая диссоциация стекла 510 51 + 0,50, Композиционные теплозащитные материалы может стать существенной при расчете испарения, если р (10 — з Па (кривая 11). При наличии на разрушающейся поверхности условий, благоприятных для образования чистого кремния, весьма вероятно одновременное появление и некоторых других кремнийсодержащих компонент. Количество ЯзС может составить несколько процентов от содержания ЯО лишь в том случае, когда относительное содержание кремния р,/р ., превысит 1Π— в (кривая 3 на рис. 9-9). При умеренных температурах (Т(2000 К) верхняя граница концентрации ЯвС определяется кривой 1. Аналогичные оценки показывают, что содержание ЯН соизмеримо с концентрацией кремния, если парциальное давление водорода рн, имеет порядок 10в Па (кривая 4).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
