Сарнер С. Химия ракетных топлив (1241536), страница 28
Текст из файла (страница 28)
ВВЕДЕНИЕ Термодинамические методы расчета параметров топлив (гл. 2) дают хорошие результаты в пределах, ограниченных кинетикой реакций рекомбинации (гл. 5), если все продукты сгорания являются газообразными. Однако появление конденсированных фаз связано со значительными потерями удельной тяги, которые не всегда удается определить с помощью обычных расчетов.
Неспособность конденсированных фаз производить работу расширения легко описывается теоретически и естественно учитывается во всех методах теоретической оценки. Однако обычно делается предположение, что конденсированные фазы все время находятся в тепловом и скоростном равновесиях с газообразной фазой. Цель данной главы — показать, каковы степень отклонения от равновесия между фазами и последствия такого отклонения. Первоочередной интерес представляют три особенности рассматриваемого явления.
Первая заключается в отставании отвердевания жидкой фазы в процессе расширения. Вторая связана с поведением конденсированной фазы, образовавшейся до начала расширения, и последняя связана с конденсацией в процессе течения. 6.2. ВЛИЯНИЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ Многие вещества, в частности окислы металлов, образуются в камере сгорания в жидком состоянии или впоследствии кондеясируются в жидкость. При расширении температура может упасть ниже температуры отвердевания вещества, особенно если сопло имеет большую степень расширения. В этих условиях в теоретических расчетах, выполняемых при допущении равновесного течения, обычно учитывается выделение теплоты плавления, которая приводит к соответствующему увеличению удельной тяги.
Изменение энтальпии продуктов сгорания на участке между камерой сгорания и выходным сечением сопла для большинства топлив при нормальных условиях составляет от 800 до 2500 кал/г. Из анализа данных, приведенных в табл. 6.1, можно сделать вывод, что потеря теплоты плавления может привести к значительным потерям удельной тяги. В частности, наибольшие потери возможны при образовании в продуктах сгорания окиси бериллия, которая имеет высокую температуру плавления и, следовательно, может переохлаждаться. Маловероятно, что фториды металлов или окислы бора и лития, имеющие низкие температуры 5 ГАИНЕТИКА ДВУХФАЗНОГО ТСЧЬНИЯ 152 Таблица б.у Отвердевание окислов и фторндов металлов Температур« огпсрлснпннн, "к Топ«ось плпплснн«, «кчл сколь Потер« у«сльноа тнгн'1, и Всюсстпо 1.~гО ВеО В Оз Д1гОз ХгОг ЫР Веря ВР М яр.
Д~Рз 2грс ! 700 2823 723 2315 2950 1121 815 Очень нчлкая 1536 1552 1205 14 14 5,91 28,30 20,8 6,47 2 13,90 Возгоняе ся 15,35 3,! 3,6 5,6 2,9 1,0 1,6 0,6 1,4 1,0 и Вычислена прн солсржпннн нонпснснропанныл Фнз гз псе. и прн удельной гнгс ззо сок " Эти рассуждения справедливы в случае сопла ракетного двигателя с малой сгепенью расширения — Приль ред. М Следует отметить, что время пребывания продуктов сгорания в сопле зависит от длины сопла, определяемой его геометрической степенью расширения, диаметром критического сечения, конфигурацией сопла и т. д.
— Прил. ред. плавления, создадут проблему переохлаждения и. Потери при образовании окиси циркония будут большими только в том случае, если конденсированная фаза составляет значительную долю продуктов сгорания. Образование окиси алюминия сопровождается потерями удельной тяги при достаточно больших степенях расширения, вызывающих падение температуры продуктов сгорания ниже температуры плавления, но это не столь серьезная проблема, как в случае окиси бериллия. Если отвердевания не происходит, то потери удельной тяги в последнем случае будут составлять 11 сек для продуктов сгорания, содержащих 25 вес. % окиси бериллия при теоретической удельной тяге ЗОО сек.
Чтобы исключить потери из-за переохлаждения, следует выбрать такую конфигурацию сопла, при которой увеличивается время пребывания продуктов сгорания на участке, где будет происходить отвердевание. Эта проблема упрощается при очень больших с~сиенах расширения сопла, когда времени пребывания в сопле вполне достаточно для отвердевания переохлажденной жидкой фазы г1, и не 6 КИНЕТИКА ДВУХФАЗНОГО ТЕЧЕНИЯ возникает совсем при малых степенях расширения, когда температура в выходном сечении сопла выше температуры отвердеваиия.
Однако в последнем случае нс используется теплота плавления для увеличения удельной тяги. 6.3. ПОВЕДЕНИЕ КОНДЕНСИРОВАННОИ' ФАЗЫ В ПРОЦЕССЕ РАСШИРЕНИЯ При рассмотрении поведения конденсированной фазы в процессе расширения окружающих газов основную роль играют два явления. Первое относится к возможности достижения такой же скорости охлаждения конденсированной фазы (вследствие тепло- обмена), как и газообразной фазы, а второе относится к возможности конденсированной фазы разгоняться до скорости газообразной фазы. Частицы конденсированной фазы охлаждаются медленнее газообразной, и из-за невозможности сохранения теплового равновесия между фазами возникает разность температур. Это запаздывание по температуре приводит к неполному выделению тепловой энергии конденсированной фазой о а следовательно, к потерям удельной тяги, аналогичным потерям, вызванным неотвердеваиием жидкой фазы. Скорость теплоотдачи от конденсированной фазы зависит от градиента температуры, площади поверхности твердой (или жидкой) частицы и от ее радиуса.
Если частицы имеют сферическую форму, то радиус частицы будет определять площадь ее поверхности. Величина потерь удельной тяги также зависит от весовой доли конденсированной фазы в продуктах сгорания. Диллон и Лайн !5] рассмотрели эту задачу с помощью приближенных методов и установили, что потери удельной тяги при полном отсутствии теплообмена между газом и частицами могут составлять 12%. Однако при более оптимистических допущениях эти потери сократились до 2%. Диллон и Лайн приняли, что радиус частиц равен 0,1 мк, весовая доля твердых конденсированных частиц в продуктах сгорания 0,89, температура сгорания 2000' К и что конденсированная фаза состоит только из твердых частичек углерода — все этн предположения являются менее жесткими, чем условия, имеющие место в существующих двигателях твердого топлива.
Поэтому их результаты слишком завышены. Сарнер и Доллрис [!О), а также Альтман и Картер !1) рассмотрели предельные случаи. Последние показали, что разность. температур между фазами не будет превышать 100 К, если радиус частиц меньше 1 мк. Следует отметить, что теплоотдача " и к понижению эффективности преобразования отданного конденсированной фазой тепла в кинетическую энергию потока — Прим.
лед 154 6 КИНЕТИКА ДВУХФАЗНОГО ТЕЧЕНИЯ излучением от частиц размером менее 0,1 лгк может быть довольно значительной. Альтман и Картер [1] нашли, что максимальные потери из-за невозможности сохранения теплового равновесия между фазами равны 1,5070 при весовой доле твердых конденсированных частиц 20070 и температуре в камере сгорания 3000'К (табл. 6.2). Таблица 5.2 Влнянне на удельную тягу степенн равновесня между фазами по температуре н скоростн ') Улельнач тггач, сек Отношение скорости теертык кон )енсированнык частиц к скорости газа отсутствие теплообмеиа равновесие по температуре 203 2!4 221 22? 254 0 0,25 0,50 1,00 Поток газа без конденснрованнык частиц 206 217 224 254 ') из работы Альтмана и Картера 0). ') Принягыс значения параметров: температура продуктов в камере сгорания ЭХО' К; отношение давлений Ю,а) весовая доля гвердыл кондеисированиыз частиц 0,20; молекУлЯРный вес газе 20, ср)„аз) Б кал)моле .
гРад, с,)е нд — — 0,6 кал)моле.град С тоунсайфер [12, 13] приводит уравнения для расчета запаздываний температур и скоростей конденсированных частиц, учитывающие зависимость от размеров частиц и сопла. Он показал, что величина запаздывания по температуре зависит от конфигурации сопла и диаметра критического сечения и что наибольший интерес представляет диапазон размеров частиц от 1 до 10 мк. При размерах частиц более 10 и менее 1 мк дополнительные эффекты малы.
При диаметре критического сечения сопла, большем 254 млг, потери из-за теплового запаздывания малы независимо от размера частиц. Таким образом, потери удельной тяги в основном имеют место в небольших двигателях 0. В настоящей книге подробно представлены данные расчетов Стоунсайфера [!2] для алюминизированного топлива, в продуктах сгорания которого содержится 34 вес. 070 жидкой окиси алюминия А1202. Теплоотдача от отдельной частицы описывается дифференциальным уравнением Р Р Рм'н" 1 и — Р= — 72~77~~(Т вЂ” 7" ).
(6.1) ') Если не учитывать возможности коагуляцнн частиц. — Прим, марев. 155 б кинетикА двухФАзнОГО течения В более поздней работе Стоунсайфера [13] уточнены некоторые результаты, но общие соотношения остались без изменения [14]. Графики, представленные на фиг. 6.1 — 6.3, иллюстрируют случаи запаздывания по температуре. Влияние запаздывания температуры частиц на удельную тягу не столь велико, как влияние запаздывания скорости частиц, или невозможности сохранения динамического равновесия. По-видимому, последнее является главной причиной потерь удельной тяги при двухфазном течении в соплах. зпп ПРРР 300 гпп бг и г. б.).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
