Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Есть возможность образования смешанных продуктов сгорания, в частности газообразных бксифторидов элементов. Поскольку стабильными обычно являются оксифториды трехвалентных элементов, большинство оксифторидов не эффективны как продукты сгорания ракетных топлив из-за большого молекулярного веса. Теплота сгорания с образованием COF2(г.) имеет промежуточное значение между теплотами сгорания СО2 (г.) и CF4 (г.). Теплота сгорания с образованием SO2F2 (г.) больше, чем в случае образования SO2 (г.) или SF2 (г.). Однако в большинстве ракетных топлив содержатся элементы с большой восстанав-ливающей способностью, которые предотвращают образование подобных веществ. При образовании оксифторида алюминия АlOF (г.) выделяется меньше тепла, чем при образовании окиси или фторида, поэтому он не представляет интереса. Оксифторид бора ВО и его тример (BOF)3 (г.) являются довольно важными компонентами продуктов сгорания ракетных топлив. Теплота сгорания с образованием ВОF (г.) имеет промежуточное значение между теплотами сгорания с образованием окиси и фторида, но оксифторид термически более стабилен, чем каждое из этих соединений.
Таблица 1.13. Теплоты сгорания элементов (в МДж/кг и Мкал/кг), отнесенные к единице массы продуктов сгорания, (T=2700 К) [93]
| Элемент | Н | ||
| оксид | фторид | оксифторид | |
| Водород | 13,44 (3,21) | 13,48 (3,22) | 3,02 (0,72) |
| Литий | 18,55 (4,43) | 12,98 (3,10) | 1,00 (0,24) |
| Бериллий | 23,95 (5,72) | 16,75 (4,00) | — |
| Бор | 12,65 (3.02) | 16,66 (3,98) | 13,19 (3,15) |
| Углерод | 8,96 (2,14) | 10,38 (2,48) | 9,67 (2,31) |
| Азот | — | 1.76 (0. 42) | 1,34 (0,32) |
| Кислород | — | —0,58 (—0,14) | — |
| Фтор | -0,59 (-0.14) | — | — |
| Натрии | 6,36 (1,52) | 6,70 (1,60) | — |
| Магний | 14,91 (3,56) | 11,89 (2,84) | — |
| Алюминий | 16,15 (3,93) | 14,27 (3,41) | 9,42 (2,25) |
| Кремний | 15, И (3,61) | 15,49 (3,70) | — |
| Фосфор | 9,96 (2,38) | 12,52 (2,99) | — |
| Сера | 4,64 (1.11) | 8,29 (1.98) | 8,38 (2,01) |
| Хлор | -0,84 (-0,2!) | 1,76 (0,42) | 0,21 (0,05) |
| Цирконий | 8,88 (2,12) | 10,06 (2,39) | — |
При образовании нитридов бериллия и бора выделяется достаточно большое количество тепла, что позволяет отнести их к важным компонентам продуктов сгорания ракетных топлив.
В табл. 1.14 приведена высшая теплотворная способность элементов при взаимодействии их с различными реагентами, отнесенная к единице массы продуктов сгорания. Теплотворная способность элементов при взаимодействии с хлором, азотом (кроме образования Ве3N2 и ВN), бором, углеродом, кремнием, серой и фосфором значительно меньше теплотворной способности элементов при взаимодействии с кислородом и фтором. Большое разнообразие требований, предъявляемых к процессам горения и реагентам (по температуре, составу, состоянию продуктов сгорания и др.) делает целесообразным использование данных табл. 1.14 при практической разработке топливных смесей того или иного назначения.
§ 6. ПОЛНОТА СГОРАНИЯ
Полнота сгорания является важной характеристикой химических топлив, так как от нее зависит эффективность действия тех или иных устройств, принцип действия которых основан на использовании выделяющегося при горении тепла. Например, снижение полноты сгорания топлива для воздушно-реактивного двигателя на 5, 10 и 15% уменьшает дальность полета соответственно на 5, 11 и 18% [25, с. 149]. В нормальных условиях работы двигателей полнота сгорания достигает 94—98%, но в неблагоприятных условиях
Таблица I 14. Высшая теплотворная способность элементов
с кислородом, фтором, хлором, азотом, бором,
отнесенная к единице массы
| Элемент | HB | |||
| оксид | фторид | хлорид | нитрид | |
| H | 15,9 (3,8) | 13,5 (3,2) | 2,5 (0,6) | |
| C | 9,0 (2,1) | 10,4 (2,5) | 0,84 (0,2) | |
| Be | 24,0 (5,7) | 21,4 (5,1) | 6,3 (1,5) | 10,5 (2,5) |
| В | 18,0 (4,3) | 16,7 (4,0) | 3,8 (0,9) | 10,0 (2,4) |
| Li | 20,1 (4,8) | 23,0 (5,5) | 9,6 (2,3) | 5,7 (1,4) |
| А1 | 16,2 (3,9) | 16,3 (3,9) | 5,0 (1,2) | 6,7 (1,6) |
| Si | 15,1 (3,6) | 15,5 (3,7) | 3,8 (0,9) | 5,4 (1,3) |
| Mg | 15,1 (3,6) | 17,6 (4,2) | 6,7 (1,6) | 4,6 (1,1) |
| Р | 10,9 (2,6) | 12,5 (3,0) | 2,5 (0,6)РС13 | |
| Ti | 11,7 (2,8) | 13,4 (3,2) | 4,2 (1,0) | 5,4 (l,3)TiN |
| Ga | 11,3 (2,7) | 15,5 (3,7) | 7,1 (1,7) | 2,9 (0,7) |
| Zr | 8,8 (2,1) | 11,3 (2,7) | 4,2 (1,0) | 3 3 (0,8)ZrN |
| V | 8,4 (2,0) | 3,8 (0,9) | ||
| Nb | 6,7 (l,6)NbOa | 13,4 (3.2) | 7,1 (1,7) | 2,2 (0,53)NhN |
| Cr | 7,5 (l,8)Cr203 | 0,84 (0,2) | ||
| Hf | ||||
| Mn | 5,4 (1,4) | |||
| Na | 6,7 (1,6) | |||
* Продукт реакции соответственно VC. NbC. HfC.
она может снижаться до 75-80%, что эквивалентно потере 20-25% топлива.
Влияние условий горения и природы исходных соединений на полноту сгорания жидких углеводородных топлив для воздушно-реактивных двигателей изложено в работах [25, 95]. Для полного сгорания топлива необходимо, чтобы давление воздуха на входе в камеру сгорания двигателя было более 0,15 МПа. При уменьшении давления ниже этого значения наблюдается снижение полноты сгорания Это объясняется тем, что с уменьшением давления снижается скорость химических реакций окисления, уменьшается турбулентность потока, что понижает скорость сгорания. Кроме того с уменьшением давления воздуха ухудшается качество распыления и распределения топлива в камере сгорания.
В работе [96] представлена зависимость полноты сгорания топлива от давления воздуха на входе в камеру сгорания; горение походило при коэффициенте избытка воздуха, равном 6. С умень-шением давления воздуха с 0,12 до 0,08 МПа полнота сгорания снижается с 0,98 до 0,7.
Вследствие того, что с уменьшением давлениявоздуха на входе ухудшаются условия смесеобразования и сгорания, область устойчивого горения в условиях понижения давления сужается. Особенно сильно это проявляется в области бедных углеводородами смесей.
(в МДж/кг и Мкал/кг) при взаимодействии углеродом, кремнием, серой и фосфором, продуктов сгорания [10, 36, 94]
Для каждой камеры сгорания существует оптимальное значение коэффициента избытка воздуха, при котором полнота сгорания топлива наибольшая. Отклонение от этого значения в любую сторону вызывает уменьшение полноты сгорания. При обогащении смеси углеводородами горение происходит с недостатком кислорода и не создаются требуемые условия для полного смесеобразования, необходимого для нормального сгорания. Причиной снижения полноты сгорания с обеднением смеси углеводородами является снижение скорости горения. Часть топливо-воздушной смеси фактически не сгорает вследствие понижения температуры за счет охлаждения большим количеством воздуха, поступающим в зону смешения и выравнивания температур. При значительном отклонении состава смеси от оптимального значения коэффициента избытка воздуха скорость сгорания настолько падает, что происходит срыв пламени.
С уменьшением температуры воздуха уменьшается скорость испарения жидкого углеводородного топлива и скорость процессов, приводящих к воспламенению. Все это уменьшает скорость горения. Процесс сгорания не успевает полностью закончиться в зоне горения, и часть несгоревшего топлива уносится в зону смешения, где нет условий для осуществления полного сгорания. Резкое снижение полноты сгорания топлива наблюдается при температурах воздуха на входе в камеру сгорания ниже 80 °С. Так, по данным работы [96], с уменьшением температуры воздуха с 80 до 0°С полнота сгорания исследованного топлива уменьшилась с 0,97 до 0,7.
Увеличение скорости воздуха на входе в камеру сгорания увеличивает степень турбулентности и улучшает условия смесеобразования и сгорания. Однако при очень большой скорости газового потока в камере сгорания может сильно уменьшиться время пребывания топливо-воздушной смеси в зоне горения, что приводит к снижению полноты сгорания, а при дальнейшем увеличении скорости — к срыву пламени.
С изменением режима работы двигателя меняется давление подачи топлива, а также давление и скорость газового потока в камере сгорания. Это приводит, в свою очередь, к изменению качества распыления топлива. С ухудшением распыления и распределения топлива в камере сгорания заметно снижается полнота сгорания.
При сгорании испаренных топлив исключается влияние таких физических факторов, как распыление и испарение, и более заметна роль химической структуры. В табл. I. 15 приводятся сравнительные данные о полноте сгорания индивидуальных углеводородов. Полнота сгорания испаренных топлив несколько выше, чем распыленных. Это различие можно наблюдать в камере сгорания определенной конструкции, так как при хорошо организованном сгорании с полнотой 97—98% это различие заметить невозможно.
Т а б л и ц а 1.15. Полнота сгорания углеводородов
в распыленном и испаренном состояниях в лабораторной
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
