Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Е сли же при охлаждении системы в ней происходит какое-либо превращение, например выпадение твердой фазы из жидкости, то тепло, выделяющееся или поглощающееся при превращении, изменяет теплосодержание системы и на кривых время -температура появляются изломы или горизонтальные участки (кривая 2), положение которых позволяет определить температуры фазовых превращений, непосредственно не наблюдая фаз, образующихся или исчезающих при нагревании или охлаждении системы.

На рис. 1.4 кривая 2 вначале идет плавно. Но в некоторый момент () в точке а понижение температуры прекращается. На кривой появляется горизонтальный участок а-б, который показывает, что в системе происходит процесс, сопровождающийся выделением тепла. На горизонтальном участке а-б скорость охлаждения становится равной нулю и сохраняет значение до момента (), начиная с которого кривая вновь плавно идет вниз. Появление горизонтального участка или остановка а-б на кривой охлаждения 2 объясняется тем, что при температуре остановки происходит переход изучаемого вещества из жидкого состояния в твердое. Выделяющаяся теплота кристаллизации возмещает потерю тепла в окружающую среду, вследствие чего до окончания затвердевания температура держится на одном уровне.

При двухкомпонентных системах горизонтальная остановка на кривой охлаждения указывает, что при температуре остановки находятся в равновесии либо две жидкие фазы и одна твердая, либо две твердые и одна жидкая, либо три твердые фазы.

При кристаллизации твердой фазы из жидкой, имеющей с ней одинаковый состав, температура начала и конца затвердевания совпадает, что выражается горизонтальным участком на кривой охлаждения.

Когда кристаллизующаяся твердая фаза (твердый раствор, чистый компонент или определенное соединение) отличается по своему составу от сосуществующей с ней жидкости, то при ох-

42

лаждении жидкой фазы от начальной температуры до температуры начала кристаллизации а (см. рис. 1.4, кривая 3) кривая охлаждения плавно идет вниз. Но в момент первого появления твердой фазы вследствие выделения теплоты кристаллизации скорость охлаждения внезапно уменьшается. Поэтому на кривой охлаждения в точке а появляется излом, отвечающий температуре начала кристаллизации, и если на протяжении всего процесса кристаллизации в равновесии с жидкой фазой находится только одна твердая фаза - твердый раствор, то затвердевание заканчивается при температуре б.

Наблюдаемый при этой температуре второй излом на кривой охлаждения отвечает полному исчезновению жидкой фазы.

Когда же в конце кристаллизации появляется еще одна твердая фаза кроме той, которая выделилась первично, то этому будет отвечать горизонтальный участок в-г на кривой 4 (см. рис. 1.4), дальше охлаждение идет по плавной кривой.

Это простейшие типы кривых охлаждения, получающиеся при условии, что система, отдавая тепло окружающей среде, проходит ряд последовательных состояний равновесия.

В действительности эти условия никогда не могут быть полностью соблюдены и всегда в той или иной мере уклоняются от изложенного выше идеального хода.

Одной из наиболее частых причин таких отклонений являет-ся переохлаждение.

Иногда воду можно переохладить, т. е. остудить ниже 0° С, причем, она не превращается в лед. То же может происходить и с другими жидкостями. Если в переохлажденную жидкость внести кристалл того же вещества (сделать, как говорят, «прививку»), то немедленно начинается затвердевание. При этом выделяется теплота кристаллизации и температура системы быстро повышается нередко до температуры равновесной кристаллизации.

Внесенный кристаллик играет роль центра, от которого процесс кристаллизации распространяется по всему объему жидкости. Центры могут возникнуть и самопроизвольно. Появлению их способствует перемешивание жидкости.

На ходе кривых охлаждения переохлаждение отражается следующим образом. В случае переохлаждения температура от (а) плавно падает ниже точки равновесной кристаллизации (б) (см. рис. 1.4, кривая 2). При нарушении в точке (б) неустойчивого переохлаждения вследствие самопроизвольного возникновения центра кристаллизации или прививки начинается выпадение твердой фазы.

Выделяющаяся теплота быстро повышает температуру, которая при благоприятных условиях поднимается до температуры равновесной кристаллизации, отвечающей остановке (а-б). При малой скорости температура может и не достигнуть уровня

43

горизонтального участка (а-б). Если переохлаждение устойчиво, то температура падает по плавной кривой (показанной тон-кой чертой), составляющей продолжение кривой (а-а').

Температура начала кипения и испаряемость

Температурой кипения однородной жидкости обычно называют температуру, при которой давление насыщенного пара равно 760 мм рт. ст.

Для горючих - керосина, бензина, соляра и др., являющихся весьма сложными по составу жидкостями, взамен простого понятия температура кипения приходится прибегать к более сложному и условному понятию - «кривой выкипания» или «кривой разгонки».

«Кривой разгонки» называют кривую зависимости между температурой паров и объемным процентом выкипевшей жидкости.

Если при перегонке жидкости следить за температурой выделяющихся паров и одновременно регистрировать количество перегнанной жидкости, то легко установить зависимость между двумя факторами. Изображая эту зависимость графиком, получают кривую «разгонки» данной жидкости.

Следует иметь в виду, что полученная таким образом зависимость в значительной мере определяется конструкцией, размерами перегонного аппарата (рис. 1.5) и способами ведения процесса разгонки, которые регламентируются ГОСТ 2177-66.

Пользуясь методом разгонки, всегда можно разделить сложное горючее на его фракции, которые выкипают при разной температуре.

Кривая разгонки показывает процентное содержание выкипающих фракций в зависимости от температуры. Поэтому она характеризует фракционный состав топлива и позволяет сделать заключение о характере его испаряемости (рис. 1.6).

44

Кроме того, на кривой разгонки имеется ряд характерных точек, позволяющих сделать важные заключения об эксплуатационных свойствах топлива.

Так для авиационного бензина точка выкипания 10% топлива определяет так называемые «пусковые свойства». Она должна быть не выше 80° С.

Чем ниже температура, при которой отгоняется 10% горючего, тем легче осуществить старт двигателя.

Слишком низкая температура выкипания 10% горючего создает опасность закупорки топливопровода газовыми пробками вследствие испарения в нем низкомолекулярных фракций. Это вызовет прекращение подачи топлива и остановку двигателя.

Существенное значение имеет так называемая «приемистость» топлива, характеризующаяся температурой, при которой выкипает 50% топлива.

Чем ниже температура, тем лучше испаряется топливо, тем за более короткий промежуток времени возможен переход двигателя на более напряженный режим.

Норма на выкипание 50% керосина составляет примерно 2110С.

Чем ниже температура выкипания 90% топлива, тем лучше его общая испаряемость. Температура выкипания 90% топлива равна примерно 250° С. С повышением температуры конца кипения увеличивается нагарообразование, вызываемое неполнотой сгорания топлива.

Упругость пара и скрытая теплота парообразования

Упругость пара, скрытая теплота парообразования и температура жидкости и пара тесно связаны между собой. Изменение одного из этих параметров влечёт за собой 'изменение других и может существенно влиять на работу систем охлаждения и питания двигателя.

Упругость пара является одной из важнейших физикохимических характеристик топлива или его компонентов. При эксплуатации топлив этот показатель особенно важен с точки зрения пожароопасное™. Чем выше упругость пара, тем быстрее насыщается пространство парами топлива и больше опасность их воспламенения, загорания, а иногда и взрыва.

В условиях эксплуатации топлива на двигателе высокая упругость пара может оказаться полезной при обеспечении наддува баков за счет собственной упругости пара. Однако одновременно она может стать и причиной разрушения стенок бака в силу их недостаточной прочности или причиной кавитации в турбонасосном агрегате, так как при высокой упругости пара значительно облегчается образование паровых пузырей в жидкости при низкой температуре.

45

Механизм испарения жидкости и образования давления паров с кинетической точки зрения представляется следующим.

При определенных термических условиях часть молекул жидкости приближается с известной скоростью из нижних слоев к поверхности жидкости, задерживается действующими силами притяжения и остается в жидкости.

Другая часть молекул, обладающая большими скоростями, достигает поверхности жидкости, преодолевает силу притяжения, проходит поверхность и переходит в газовую область пространства, т. е. испаряется. В то же время молекулы в газовой области, достигающие поверхности жидкости, подвергаются воздействию сил притяжения и увлекаются в жидкость - конденсируются.

Если количества испарившихся и сконденсировавшихся молекул будут равны, устанавливается динамическое равновесней при данной температуре давление насыщенных паров принимает вполне определенное значение. С колебанием температуры изменяется скорость молекул и количество молекул, перешедших в паровую фазу и обратно, изменяется и равновесие системы, вызывая соответствующее отклонение плотности и давления насыщенных паров. Число молекул, скорость которых настолько велика, что они могут преодолеть силы притяжения, определяется законом распределения Максвелла, по которому с ростом температуры весьма значительно увеличивается число молекул с большой скоростью. Этим и объясняется быстрое возрастание давления паров при повышении температуры.

Переход жидкости в паровую фазу может возникать в системах питания и охлаждения; в этом случае в системе возможно образование паровых пробок, нарушающих нормальную работу системы и двигателя. В замкнутых системах двигателя при достаточно высоких температурах давление насыщенных паров, достигшее заметной величины, на отдельных участках может привести к разрушению системы. В условиях низких температур давление упругости пара жидких компонентов топлива сущест-венно влияет на работу таких важнейших элементов системы двигателя, как насосы, форсунки, клапаны и др., главным образом из-за образования кавитации, так как испарение жидкости возможно не только со свободной поверхности, но и внутри пузырьков пара, которые образуются в жидкости при низких дав-лениях.

Равновесное состояние системы с различным фазовым состоянием в зависимости от температуры определяется уравнением Клапейрона - Клаузиуса.

В условиях равновесного состояния при температуре Т и давлении упругости пара р_s можно принять, что испарение происходит при температуре Т+dТ, конденсация - при температуре Т, а изменение давления отвечает р_s.

46

Для бесконечно малых значений dp_s и dT процесс испарения - конденсации можно представить простой математической зависимостью, описывающей элементарный обратимый цикл. В координатах p- этот цикл представляется в форме прямоугольника, а работа за этот цикл о
пределяется следующей зависимостью:

П
одставляя полученное значение работы dL_обр в основное уравнение второго закона термодинамики

и полагая, что подведенное тепло Q равно молекулярной теплоте испарения r (при условии, что для кругового процесса взят один моль вещества), получим

З
апишем это уравнение в форме

О
но связывает важнейшие параметры, характерные для равновесия фаз, термические величины с важнейшей калориметрической величиной - скрытой теплотой испарения, которую очень

легко определить, измеряя dp_s/dT и оба объема - жидкости и пара.

Характеристики

Список файлов книги