УДК 536.24+541.1
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ РАЗЛОЖЕНИЯ ОХЛАДИТЕЛЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В КАМЕРЕ ОХЛАЖДЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА
КИРИЛЛОВ ВВ., ВАУЛИН С.Д.
Южно-Уральский государственный университет (НИУ), 454080, г. Челябинск, проспект им. В.И. Ленина, 76
АННОТАЦИЯ. Рассмотрен вопрос влияния скорости разложения твёрдого охладителя на характер изменения рабочих процессов в камере охлаждения низкотемпературного газогенератора.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: камера охлаждения, твёрдый охладитель, скорость разложения.
Расчёты, выполненные для камеры охлаждения (КО), заполненной гранулами, показывают, что в процессе разложения поверхность разложения монотонно уменьшается [1]. В результате поток массы также убывает, как за счёт уменьшения температуры газа по длине КО, так и за счёт уменьшения поверхности разложения. При проектировании КО представляет интерес вклад каждого из этих факторов в характер протекания рабочих процессов. Для этого нужно организовать процесс разложения таким образом, чтобы поверхность разложения оставалась постоянной, а поток массы продуктов разложения определялся только температурой.
В камере сгорания (КС) с зарядом из цилиндрических шашек с горением по боковой поверхности поверхность горения остаётся постоянной. Поэтому представляет интерес организация процесса разложения в КО путём применения заряда охладителя в виде цилиндрических шашек, разложение которых происходит по боковой поверхности [2]. Площадь поверхности разложения при этом остаётся постоянной в течение всего процесса. Изменение потока массы при разложении охладителя происходит только за счёт уменьшения разности температуры газа и температуры разложения. Начальная масса охладителя в КС во всех вариантах расчёта одна и та же, и выбрана из условия охлаждения продуктов сгорания топлива от начальной температуры в 1600 до 400 К. Масса топлива во всех расчётах также одинакова. Наружный и внутренний диаметр шашек выбраны таким образом, чтобы при одинаковой массе охладителя суммарная поверхность разложения была сопоставима с начальной поверхностью гранул. Шашки охладителя получены прессованием из порошка (в дальнейшем шашки типа ПШ) В качестве охладителей применялись карбонат аммония (КА) и гидрокарбонат аммония (ГКА). Математическая модель камеры охлаждения включает в себя одномерные уравнения неразрывности, количества движения, энергии, начальные и граничные условия, а также замыкающие соотношения по гидравлическим сопротивлениям, теплообмену, скорости разложения [2, 3]. Характер разложения обоих охладителей в зависимости от температуры показан на рис. 1.
0,5
0,4
0,3
о
0,2
И
В 0,1
0,0
1
/2
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
температура, К 1 - карбонат аммония; 2 - гидрокарбонат аммония Рис. 1. Зависимость плотности потока массы охладителей от температуры
На рис. 2, 3 представлены изменения температуры на выходе из КО с шашками типа ПШ из КА и ГКА диаметром 10*5 мм и КО трёх диаметров - 0,09, 0,11 и 0,13 м. Как следует из рисунков, характер изменения параметров КО с ГКА резко отличается от изменения параметров КО с КА. Уровень температур на выходе из КО с шашками из ГКА значительно выше, чем с шашками из КА, несмотря на то, что энтальпия разложения ГКА больше, чем у КА на 14 %. Процесс разложения шашек ГКА закончился раньше, чем сгорело топливо. Поверхность контакта шашек с потоком газа быстро уменьшается, поэтому температура на выходе из КО начинает расти.
500
I 400
а
си
300 200
1
----- 2
3
0
1,0
2,0
3,0 4,0
время, с
1 - ¿=0,09 м; 2 - ¿=0,11 м; 3 - ¿=0,13 м
1400
5,0
«
ев
Л
^
Н ев
Л Щ
С
<и н
1000
600
200
1 / 2 3
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
время, с
1 - ¿=0,09 м; 2 - ¿=0,11 м; 3 - ¿=0,13 м
Рис. 2. Температура на выходе из КО с шашками типа ПШ из КА
Рис. 3. Температура на выходе из КО с шашками типа ПШ из ГКА
Расчёты с охладителями КА и ГКА выполнены при одинаковых геометрических параметрах КО - диаметрах КО, входного и выходного отверстий и т.п. Масса охладителя и топлива также одинакова. Таким образом, варианты расчётов с КА и ГКА отличаются двумя факторами - энтальпией разложения и скоростью разложения при высоких температурах, выше 1000 К.
На рис. 4 показано изменение температуры по длине КО с шашками типа ПШ из КА и ГКА в различные моменты времени. На рис. 5 показано изменение потока массы продуктов разложения КА и ГКА по длине КО в различные моменты времени. Из рис. 1 следует, что в диапазоне температур выше 1000 К плотность потока массы при разложении КА больше, чем при разложении ГКА и эта разница растёт с увеличением температуры. В области температур ниже 1000 К скорости разложения КА и ГКА почти одинаковы. Разность потоков массы составляет не более 10 %. Энтальпия разложения ГКА на 14 % больше, чем для КА. При температуре 1600 К скорость разложения КА в 1,67 раза больше, чем для ГКА.
1800
1400
пГ
1000
к 2 и н
600
200
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
длина
1 - т=0,2 с КА; 2 - т=0,2 с ГКА; 3 - т=2,0 с КА; 4 - т=2,0 с ГКА
Рис. 4. Изменение температуры по длине КО с охладителями КА и ГКА в различные моменты времени
и
и
3 о о
СЗ
И О н о с
1
д
\ ч \ N ^ 2 г 1 4
3 '' ■— - _ __ 1 ■--- --- — ._ _
I
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
длина
1 - т=0,2 с КА; 2 - т=0,2 с ГКА; 3 - т=2,0 с КА; 4 - т=2,0 с ГКА
Рис. 5. Изменение потока массы продуктов разложения по длине КО с охладителями КА и ГКА в различные моменты времени
В результате скорость снижения температуры в КО с шашками из КА значительно больше, чем для ГКА. При этом в случае ГКА газ с более высокой температурой проникает дальше вглубь КО и ускоряет разложение ГКА. Площадь поверхности разложения с течением времени по длине КО остаётся одинаковой вплоть до полного разложения охладителя, но площадь свободного сечения КО становится переменной и в случае КА быстро растёт в начале КО и слабо меняется в глубине. В случае ГКА происходит менее интенсивное изменение температуры в начале КО.
5
4
3
2
1
0
0
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кириллов В.В. Расчётно-теоретическое исследование процессов тепло- и массообмена в низкотемпературных газогенераторах // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т. 10, № 4. С. 428-435.
2. Кириллов В.В. Расчёт тепло- и массообмена в низкотемпературном газогенераторе с шашками охладителя // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т. 12, № 2. С. 166-171.
3. Липанов А.М., Бобрышев В.П., Алиев А.В., Спиридонов Ф.Ф., Лисица. В.Д. Численный эксперимент в теории РДТТ. Екатеринбург : Наука, 1994. 303 с.
INFLUENCE OF SOLID COOLANT RATE DECOMPOSITION IN CHAMBER OF THE LOW TEMPERATURE GAS GENERATION
Kirillov V.V., Vaulin S.D.
South Ural State University, Chelyabinsk, Russia
SUMMARY. The question of the influence of the rate of decomposition of the solid nature of the change to cooler working processes in the cooling chamber low temperature gas generation.
KEYWORDS: cooling chamber, solid cooler, the decomposition rate.
Кириллов Валерий Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры "Двигатели летательных аппаратов"ЮУрГУ, тел. 912-774-16-11, e-mail: valery.v.kirillov@gmail.com
Ваулин Сергей Дмитриевич, доктор технических наук, проректор по научной работе ЮУрГУ