CC BY
18
УДК 629.764
В. В. Смець
ОЦ1НКА ТЕПЛОФ1ЗИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛ1ЕТИЛЕНУ В УМОВАХ ГАЗ И ФIК А ЦIЙ Н О1 КАМЕРИ СПАЛИМО1 РАКЕТИ - НОС1Я
Експериментально оцтеш в першому наближеннI температур»! залежност1 для теп-лоемност¡, теплопров1дност1, густини I питомог тепловитрати на термгчну деструкцт. Основною частиною експериментальног установки е електричний нагргвач, оточений шаром полгетилену I термопарами. Робиться висновок, що низька температуропровгдтсть I суттевI витрати тепла на деструкцт визначатимуть зубчасту або конгчну форму гази-ф1кац1йно '1 камери спалимог ракети-носгя.
Вступ
Поява сучасних доступних технологш створен-ня ефективних мжро-, нано- i шкосупутнишв вик-ликала проблему розробки дешево! мало! ракети-ноая (РН), спецiально призначено! для запуску ма-лих космiчних апаратiв. Для Укра!ни ця проблема зараз тимчасово дещо пом'якшуеться можливiстю доступу до конверсшних РН, але, наприклад, для США вона вже набула критично! гостроти. Зпдно [1] Мшстерство оборони США за допомогою сучасних РН здатне вивести лише 20 % вщ потрiбних корисних вантаж1в, значна частина яких е мжросу-путники. Унiверситетськi мiкро- i наносупутниковi програми США, так1 як DoD-University Nanosatellite, CATSAT, Starshine II, Explorers, вщкладеш на не-визначений час iз-за проблем, пов'язаних iз запуском [1]. Навиъ запуск мжросупутника руками космонавта вважаеться фахiвцями iз Велико! Британi! набагато дешевшим шляхом, шж запуск за допомогою сучасно! РН [2].
На нашу думку, застосування спалимих РН (СРН) [3] може розглядатися як один iз способiв розв'язання ще! проблеми, яка, напевно, незабаром постане для широкого кола кра!н. Ос-шльки СРН не маютъ бак1в, як окремих конструктивних елеменпв, то зменшуеться вплив масштабного фактора i, тому, мала СРН може мати високу масову досконалють i, навiтъ, бути реалiзована в одноступiнчастому варь анп при використаннi вуглеводневого пального [4, 5]. В СРН полiетиленова (ПЕ) бакова оболонка по-сл1довно перетворюеться на газ в газифiкацiйнiй ка-мерi (ГК) i спалюеться в камерi згоряння як основ-не пальне. Методика розрахунку ГК запропонована в [6]. Наголошуеться, що для цього розрахунку треба мати залежностi теплофiзичних характеристик ПЕ в широкому температурному дiапазонi - впритул до температури повно! газифжацп. Величини тепло-емносп та теплопровiдностi ПЕ за порiвняно низь-ких температур е в лгтератур^ наприклад [7, 8, 9],
© В. В. Смець, 2008
але потрiбнi залежносп за високих температур нам не вiдомi, тому постала задача ощнити !х експериментально.
Обладнання i методика проведення експе-рименту
Основною частиною експериментально! установки (рис. 1) е стакан iз термотривкого скла емшстю 5-10-5 м3, заповнений полiетиленом (використову-вався полiетилен високого тиску марки 15803-020). Всередину стакана вмiщений електричний на^вач, потужнiсть якого протягом експерименту змiнюва-лась вiд 13,5 до 46,5 Вт. Мiж нагрiвальним елемен-том i стшкою стакана на рiзних вщстанях вщ нагршача розташоват чотири хромель-алюмелевi термопари. Перша термопара прикршлена до нагрiвача, четвер-та - до внутршньо! стiнки стакана, друга та третя розташованi мiж ними. Стакан з ПЕ вмiщуеться у внутрiшнiй термос (скляний), а внутршнш термос - у зовшшнш (металевий). Термоси розмiщуються в посудиш з водою таким чином, що вода перешкод-жае проникненню зовшшнього повiтря всередину термосiв. Для контролю температури газiв, що зна-ходяться всерединi термосiв, в газовiй порожниш внутрiшнього термоса розташована термопара. Во-дяний замок практично не перешкоджае виходу га-зоподiбних продуктiв термiчно!' деструкцi!' назовш, оск1льки його висота становить лише калька санти-метрiв. Разом з тим, таке влаштування дозволяе на-ближено оцiнити швидк1сть утворення газiв за допомогою спостереження за бульбашками, що вихо-дять назовш через воду.
Оскшьки температуропровщщсть ПЕ досить низька (вiн може бути застосований як руйшвне тепло-захисне покриття [10]), рiзке названия цього ма-терiалу призводить лише до швидко! газифiкацi!' тонкого прошарку, що безпосередньо прилягае до на-^вача (в безкисневому середовищi). З ще! причини нагрiвання треба проводити повiльно. В наведе-ному пристро! потужнiсть електричного нагрiвача
спочатку була найменшою, а потiм тричi дискретно збшьшувалась протягом експерименту. Додавання потужносп (приблизно 50 %) здiйснювалось екс-периментатором кожного разу, коли зростання тем-ператури ПЕ припинялось. Фiксувались так пара-метри: данi термопар Т, потужнiсть нагрiвача Ы, об-'емна швидк1сть газоутворення О, час /.
Експериментальнi данi та 1х пояснення
Рис. 1. Схема експериментально! установки (розм1ри наведет в мм):
1 - посудина з водою; 2 - газов1 бульбашки; 3 - зовшшнш термос; 4 - внутр1шнш термос; 5 - стакан заповнений ПЕ; 6 -електричний нагр1вач; 7 - об'ем, заповнений газопод1бними продуктами терм1чно! деструкцп ПЕ; 8 - термопари
Даш одного з експерименпв, що тривав 512 годин представлеш на рис. 2. Привертае увагу добре окреслена хвиляста форма температурних кривих 1, яка, на наш погляд, потребуе пояснення. Зауважи-мо, що ПЕ не мае певних точок плавлення i газифь каци. Розм'якшення ПЕ починаеться приблизно при
105......130 °С (в залежносл ввд марки) [7, 8],
в'язк1сть розплаву зменшуеться в мiру зростання температури. Термiчна деструкцiя ПЕ розпочинаеть-ся за температури приблизно 290 °С, газифжащя -близько 360 °С, И швидк1сть збiльшуеться iз зрос-танням температури i мае максимум коло 430 °С, а за 475 °С ПЕ практично повшстю перетворюеться на газ (за умови вiдсутностi окислювача) [9].
На нашу думку, температурш «хвилЬ> можливо пояснити наступним чином. На першiй дшянщ зростання температури вiдбуваеться шдвищення внутрь шньо! енергп певного шару ПЕ, що межуе з на^ва-чем, до рiвня енергп активацп, потрiбноl для початку термiчноl деструкцп (тут i далi розглядаються ци-лiндричнi шари). Далi на далянщ падiння температури мае мюце ендотермiчний процес деструкцп ПЕ. Падшня температури тривае доти, доки витрата тепла на термiчну деструкцiю не зрiвняеться з потужн-iстю нагрiвача, тодi настае дiлянка постшно! температури. Наприклад, тсля першо! «хвилЬ> спостерь гаемо дмнку незмшно! температури (в iнтервалi
10500......13800 с), причому газоутворення на цей
час припиняеться. Iмовiрно, що в цьому iнтервалi за порiвняно низьких температур термiчна деструк-цiя призводить лише до розриву молекулярних лан-
Рис. 2. Експериментальш дат:
1 — температура шар1в ПЕ, що лежать на в1дсташ Я в1д поверхш нагр1вача; 2 - температура в об'ем1, що заповнений газопод1б-ними продуктами терм1чно! деструкцп ПЕ; 3 - потужшсть нагр!вача; 4 — швидкють газоутворення
188Ы1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2008
21
цюпв без утворення летючих з'еднань. Шсля зб№шення потужносп нагрiвача крiм тш шлькосп енергп, що витрачаеться на термiчну деструкцш в певному прошарку ПЕ, з'являеться ще деяка юльюсть енергп, яка витрачаеться на на^в всiх шарiв ПЕ. В процесi щдвищення температури вже новi про-шарки ПЕ набувають енергш активаци термiчноl деструкцп, тому бачимо збшьшення газоутворення. Шдвищення температури знову тривае доти, доки термiчна деструкцiя не охоплюе таку к1льк1сть ПЕ, що витрати енерги на деструкцш перевищують и над-ходження. Тодi температура знову знижуеться, i швидк1сть газоутворення упов^нюеться i т. д. Про-цес тривае до повно! газифжацп. Кшьшсть «хвиль», очевидно, залежить в1д дискретностi додавання потужносп.
Обробка експериментальних даних
Математична обробка експериментальних даних дозволяе отримати наближенi оцшки залежностей в1д температури таких теплофiзичних характеристик ПЕ як теплоемнiсть, теплопроввдтсть, питома тепловит-рата (що обумовлена деструкцiею) i густина, при деяких припущеннях i спрощеннях. Припустимо, що температурне поле в ПЕ змiнюеться лише в радаль-ному напрямку. Тодi теплопровiднiсть можливо оц-шити за формулою Фур'е в цилiндричнiй системi координат [11]. Припустимо, що теплопровщшсть ПЕ, яка пiдрахована таким чином для деякого моменту часу, вщповщае теплопровщносп за середнь-омасово1 температури ПЕ на цей момент:
Х(Г ) =
Я
ЫкА/1п— _
2пЬ(Т0 - Т4 )
(1)
кш
(2)
рачаеться лише на термiчну деструкцiю, ос-к1льки в щ моменти температура ПЕ не зм!нюеться. тод1 ма-сове теплопоглинання (витрачання тепла на деструк-ц1ю в деякому об'емi ПЕ, що мае одиничну масу):
Чш(Т) =—£=Г
Ык
(3)
л —
А' ■■ кг
; \
-ь +
т, с
Дж
КГ-К
7500
5000 2500 0 *
» <> * О
■ц
100
200
300
400
т с
де Т - середньомасова температура, А/ - час названия, Ь - довжина нагрiвача; Т0 i Т4 - температура ПЕ бшя нагр!вача i внутршньох ст1нки стакана вщповщно, Я0 i Я4 - радус нагрiвача i стакана в1дпов1дно, к - коефщент, що враховуе долю тепла, яка не надходить в ПЕ.
Припустимо, що теплоемшсть, яка е середньою для вах шар!в ПЕ в деякий момент часу, дор!внюе теплоемностi за тако! температури, яка е середньо-масовою в цей момент:
де АТ. - прир1ст температури /'-го прошарку ПЕ за час А, ш. - маса /-го прошарку.
Припустимо також, що в моменти часу
112, 2)2, 3, 4, 5, 5)2 годин (див. рис. 1) вся по-тужшсть нагр!вача (з урахуванням розаяння) вит-
Рис. 3. Залежност теплопровiдиостi (а), теплоемност! (б), масового теплопоглииаиия (в) та густини (г) в1д середньома-сово! температури ПЕ (експеримеитальиi точки 1 апрокси-мацiйиi крив^)
а
б
г
де p(T) еквiвалентна густина ПЕ (в припущенш, що
початковий об'ем ПЕ V0 не змiнюeться), яка змен-шуеться в Mipy газоутворення i виходу назовнi газо-вих бульбашок. З урахуванням G i ведомо! i3 лгге-ратури [12] середньо! молекулярно! маси газоподь бних продуктiв термiчноl деструкцп ПЕ (ц = 692):
Перелж посилань
р(--
0 -Рgas JG(t)dt
Vo
1. M. Bille, R. Kane. Practical Microsat Launch Systems: Economics and Technology // AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2003. http:// www.mitre.org/work/tech_papers/ tech_papers_03/kane_mls.
2. HAND satellite project. http://www.aer.bris.ac.uk/ contact/academic/hempsell2.shtml.
3. Launch Vehicle with Combustible Polyethylene Fuel (4) Tank. http://perocket.dnu.dp.ua.
4. V. Yemets. Launch Vehicle with Combustible Polyethylene Case Gasification Chamber Design Basis // Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 61, Issue 1, January 2008, pp. 32-38.
5. £мець В. В. Обтюратор двигунного блоку спа-лимо! ракети-носгя // Вюник двигунобудування, 2007. - № 2. - С. 17-23.
6. В .В. £мець. Газифжацшна камера спалимо! ракети-ноая // Вюник двигунобудування. - 2008.
- № 1. - С. 17-21.
7. Полиэтилен низкого давления. Научно-технические основы промышленного синтеза / З.В. Ар-хипова, В. А. Григорьев, Е.В. Веселовская и др.
- Л.: Химия, 1980. - 240 с.
8. Полиэтилен высокого давления. Научно-технические основы промышленного синтеза / А.В. Поляков, Ф.И. Дунтов, А.Э. Софиев и др. - Л.: Химия, 1988. - 200 с.
9. Мадорский С. Термическое разложение органических полимеров. - М.: Мир, 1967. - 328 с.
10. Е.А. Джур, С.И. Вдовин, Л.Д. Кучма, В.А. Найденов, Е.Ю. Николенко, Е.И. Ухов. Технология производства космических ракет. - Днепропетровск: Изд-во ДГУ, 1992. - 184 с.
11. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике / В. С. Авдуевский, Б.М. Галицейский, Г.А.Глебов и др. - М.: Машиностроение, 1992. - 528.
12. Полиэтилен и другие полиолефины / Под ред. П.В. Козлова и Н.А. Платэ. - М.: Мир, 1964. -594 с.
_ . ^ Поступила в редакцию 03.03.2008
Экспериментально определены в первом приближении в широком диапазоне температур теплопроводность, теплоемкость, удельное теплопоглощение и плотность полиэтилена, что необходимо для расчета газификационной камеры сжигаемой ракеты-носите-л я .
В качестве основной части экспериментальной установки использовался электронагреватель, окруженный полиэтиленом и термопарами. Сделан вывод о целесообразности зубчатой или конической формы газификационной камеры сжигаемой ракеты-носителя.
Heat capacity, heat conductivity, density and specific heat uptake (caused by the thermal destruction of the matter) were estimated experimentally as a first approximation. The main part of the experimental plant consisted of an electric heater surrounded by a polyethylene layer and equipped with thermocouples. The experimental data shows the necessity to develop the gasification chamber as a «dental» or conical structure.
де m0 - початкова маса ПЕ в стакаш, Р^ - пито-ма маса газоподiбних продукпв термiчно! деструкцп ПЕ, T = T (t). Залежносл (1-4) представ лет на рис. 3. Рiзниця мiж експериментальними точками i апроксимацшною кривою на рис. 3, г iмовiрно пояснюеться конденсащею частини газiв при контакт з установкою.
Висновки
Висока теплоемшсть, низька теплопровщшсть i суттета тепловитрати на газоутворення означають, що лише тонкий прошарок ПЕ, який безпосередньо кон-тактуе з на^вачем, перебуватиме в ГК в газоподiб-ному сташ, а решта ПЕ буде вщносно холодною. Це також означае, що швидшсть газифтацп баково! оболонки СРН буде малою. Отже, для забезпечення псг^бного витрачання пального необхвдно збшьшу-вати площу газифтацп. Наприклад, зубчаста або кошчна форма поверхш контакту ГК з ПЕ оболон-кою може збшьшити витрачання пального на 1-2 порядки.
Наведеш залежносп теплофiзичних характеристик ПЕ можуть розглядатися лише як груба оцшка в першому наближеннi i потребують подальшо! пере-вiрки i уточнения.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2008
- 23 -
