Телефон: +7 (383)-235-94-57

РАСЧЕТ КИНЕТИКИ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ ТОПЛИВ В КАНАЛАХ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Опубликовано в журнале: Инженерные решения №5(6)

Автор(ы): Сташкив Михаил Степанович, Яновский Леонид Самойлович, Шевченко Игорь Владимирович

Рубрика журнала: Инновации

Статус статьи: Опубликована 18 июля

DOI статьи: 10.32743/2658-6479.2019.5.6.133

Библиографическое описание

Сташкив М.С., Яновский Л.С., Шевченко И.В. РАСЧЕТ КИНЕТИКИ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ ТОПЛИВ В КАНАЛАХ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ // Инженерные решения: эл.научный журнал. –2019 – №5(6). URL: https://journaltech.ru/archive/6/133 (дата обращения: 13.11.2019). DOI: 10.32743/2658-6479.2019.5.6.133

Сташкив Михаил Степанович

соискатель степени канд. техн. наук, НИУ «МЭИ»,

РФ, г. Москва

Яновский Леонид Самойлович

д-р техн. наук, проф. НИУ «МЭИ»,

РФ, г. Москва

Шевченко Игорь Владимирович

д-р техн. наук, проф. НИУ«МЭИ»,

РФ, г. Москва

 

CALCULATION OF THE KINETICS OF THERMAL DECOMPOSITION OF ENDOTHERMAL FUELS IN COOLING SYSTEMS CHANNELS OF AIRCRAFT

 

Mikhail Stashkiv

сompetitor of a scientific degree , Scientific Research University "MEI",

Russia, Moscow

Leonid Yanovskiu

doсtor of  Sciences, professor Research University “MEI”,

Russia, Moscow

Igor Shevchenko

doсtor of  Sciences, professor Research University “MEI”,

Russia, Moscow

 

АННОТАЦИЯ

Наиболее целесообразным способом охлаждения   летального аппарата с применением жидкого углеводородного топлива является химическая регенерация за счет поглощения тепла аэродинамического нагрева, а также от силовой установки путем термохимических превращений топлива в системе охлаждения. При проектировании систем охлаждения требуется знать скорость и состав продуктов  деструкции топлива при его нагреве. В статье изложена методика расчета кинетики  разложения углеводородных эндотермических топлив в канале охлаждения под воздействием внешнего теплового потока.

ABSTRACT

The most appropriate way to cool the lethal apparatus using liquid hydrocarbon fuel is chemical regeneration due to the absorption of heat from aerodynamic heating, as well as from the power plant through thermochemical transformations of the fuel in the cooling system. When designing cooling systems, it is required to know the speed and composition of the products of destruction of the fuel when it is heated. The article describes the method for calculating the kinetics of decomposition of hydrocarbon endothermic fuels in the cooling channel under the influence of external heat flow.

 

Ключевые слова: эндотермическое топливо, кинетика разложения,  обогреваемый канал, степень разложения. 

Keywords: endothermic fuel, decomposition kinetics, heated channel, degree of decomposition.

 

Одной из основных задач, требующих решения при создании гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА) с воздушно-реактивными двигателями, является проблема создания эффективных способов охлаждения элементов конструкции ЛА  и силовых установки (СУ). Одним из наиболее перспективных хладагентов является углеводородное эндотермическое топливо.

Наиболее эффективным способом охлаждения с применением углеводородного топлива является химическая регенерация за счет поглощения тепла аэродинамического нагрева, путем термохимических превращений топлива в системе охлаждения. Преимуществом таких процессов является то, что в результате химических превращений топлива образуются горючие компоненты с более высокой  тепловой сгорания и меньшей молекулярной массой по сравнению с исходным топливом. Эти компоненты поступают в камеру сгорания и позволяют повысить эффективность термодинамического цикла СУ.

Термическое разложение углеводородных эндотермических топлив является сложным многоступенчатым процессом, включающим большое количество химических реакций, с образованием и взаимодействием множества свободных радикалов. При проектировании систем охлаждения требуется знать скорость и состав продуктов  деструкции топлива при его нагреве.

Целью проведенных исследований, являлась разработка методики расчета  кинетики термического разложения эндотермических авиационных топлив  в канале системы охлаждения при подведении тепла от горячего газа.

Для описания процесса разложения углеводородных топлив под воздействием внешнего теплового потока, воспользуемся уравнением для мономолекулярной реакции первого порядка [1]:

,                                                                              (1)

где: К – кинетическая константа разложения топлива; τ  – время протекания процесса разложения; С[RH] – концентрация топлива подвергающегося разложению.

Введем параметр Z – степень разложения исходного вещества,

,

где:  – начальная концентрация углеводородного топлива.

Решением дифференциального уравнения (1 2.16) будет функция:

                                                                          (2)

Продифференцировав выражение (2.17) получим:

  или                                                         (3)

Константу скорости разложения топлива представим в виде зависимости Аррениуса:

,                                                                   (4)

где:  – предэкспоненциальный множитель;  – энергия активации; R - универсальная газовая постоянная;  – температура топлива.

Из (2) следует, что при   т.е. при достаточно большом времени протекания реакции, разлагается все исходное вещество. В действительности, как показывают проведенные ранее экспериментальные исследования, при больших значениях τ устанавливается равновесная степень разложения Ze, которая далее не изменяется, если не изменяется температура топлива. Это явление вызвано торможением реакций термического разложения олефинами, которые входят в состав продуктов разложения. По литературным данным [2] особо активную роль в этом процессе играет пропилен – С3Н6. В качестве примера на рисунках 1, 2 представлены степени разложения эндотермических топлив ЭТ-1 и н–декан в зависимости от времени пребывания при определенной температуре [3]. Из представленных графиков следует, что дифференциальное уравнение 3 с высокой степенью точности описывает термическое разложение лишь на начальном участке, при Z < 5…10%.

 

норпар-12_кинетика_01

Рисунок 1. Зависимость степени разложения топлива ЭТ-1 от времени пребывания при давлении 0.1 МПа: 1 – 620°С; 2 - 650°С; 3 - 680°С; 4 - 710°С

 

н-декан_кинетика_01

Рисунок 2. Зависимость степени разложения н-декана (С10Н22) от времени пребывания при давлении 0.1 МПа: 1 – 620°С; 2 - 650°С; 3 - 680°С; 4 - 710°С

 

Для описания процесса термического разложения при больших степенях разложения воспользуемся эмпирической зависимостью [3]:

,                                                                                (5)

где: ,  – эмпирические коэффициенты, зависящие от температуры топлива, его состава и материала теплообменного канала.

Материал теплообменного канала оказывает существенное влияние на интенсивность термохимического разложения топлива. Из сравнения скоростей термического разложения (рис. 3) видно, что наилучшими показателями каталитической активности обладают титан и сталь 12Х18Н10Т [4]. Возможно использование теплообменных каналов с внутренним каталитическим покрытием. Зависимость эмпирических коэффициентов от температуры будет различной для каждого типа покрытия теплообменного канала и применяемого топлива.

 

Каталитическая%20активность

Рисунок 3. Зависимость скорости разложения Wr при термодеструкции топлива ЭТ-1 от температуры, по данным [4]

 

Как видно из (5) , при  , т.е. константа a имеет смысл как величина, определяющая значение эквивалентной степени разложения Ze:

,        (a > 1;  Ze < 1).                                                                  (6)

Для того чтобы определить физический смысл величины b продифференцируем выражение (5):

.

Из (5 2.20) выразим t:

,

и подставив в правую часть уравнения, получим:

,                                                                          (7)

откуда

.

Таким образом, b характеризует начальную удельную скорость разложения исходного углеводорода. Как показывают проведенные исследования, величина b  сильно зависит от давления, при котором происходит разложение теплоносителя. С ростом давления b уменьшается по степной зависимости вида:

,                                                                          (8)

где: p – давление теплоносителя; p0 – атмосферное давление; b0 – удельная скорость разложения углеводорода при атмосферном давлении.

Для топлив представляющих собой смеси н–парафинов типа ЭТ-1, значение n » 1.55.

Эмпирические коэффициенты a и b представим в виде зависимости подобной уравнению Аррениуса:

    и    ,                                                     (9)

где: z1, z2, E1, E2 – эмпирические коэффициенты, которые определяются экспериментально и зависят от состава применяемого топлива и материала теплообменного канала.

Из дифференциального уравнения (7) следует, что реакция термохимического разложения углеводородов, соответствующая эмпирической зависимости (5), имеет порядок выше первого, что в большей степени соответствует реальному процессу.

На рис. 4 представлено сопоставление экспериментальных данных по разложению топлива ЭТ-1 с результатами расчета по формуле (5), в координатах 1/Z, 1/τ. Как видно из рисунка 4, в достаточно широком диапазоне изменения Z (0,05 ≤ Z ≤ 0.9) результаты расчета по зависимости (5) хорошо согласуются с экспериментальными данными.

 

Բ

 

Рисунок 4. Зависимость степени разложения топлива ЭТ-1 от времени контакта при различных температурах: 1 – 620°С; 2 - 650°С; 3 - 710°С

 

Таким образом, для описания процесса термохимического разложения углеводородов в обогреваемом канале, в широком диапазоне степеней разложения, более точным является использование дифференциального уравнения (7), которое после преобразования примет вид:

.                                                                    (10)

Подставив (8) и (9) в (10) получим окончательную зависимость для расчета термохимического разложения:

,                                         (11)

где: x – координата расчетного сечения, по длине теплообменного канала; WX – скорость потока топлива в расчетном сечении канала; pX – давление топлива в расчетном сечении канала; TfX – температура топлива в расчетном сечении канала; p0 – атмосферное давление.

Выводы.

Разработана методика расчета кинетики  разложения углеводородных эндотермических топлив в канале охлаждения под воздействием внешнего теплового потока. Методика позволяет проводить расчеты для всех степеней разложения с учетом значений давления и температуры топлива в расчетном сечении канала.

 

Список литературы:

  1. Адельсон С.В. Технология нефтехимического синтеза. М., Химия. - 1985. - С. 607.
  2. Магарил Р.З. Механизм и кинетика гомогенных термических превращений углеводородов. М., Химия. - 1970. - С. 224.
  3. Яновский Л.С., Шигабиев Т.Н., Галимов Ф.М., Иванов В.Ф. Физический и химический хладоресурс углеводородных топлив. - Казань: Мастер лайн. - 2000. - С. 240.
  4. Дубовкин Н.Ф., Яновский Л.С., Харин А.А., Шевченко И.В., Суриков Е.В. Топливо для воздушно-реактивных двигателей. - М.: «МАТИ» - РГТУ им. К.Э.Циолковского. –  2002. –  С. 443.