ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И СОСТАВ ПРОДУКТОВ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ АВИАЦИОННЫХ ТОПЛИВ В КАНАЛАХ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

THERMAL EFFECTS OF ENDOTHERMIC REACTIONS AND COMPOSITION OF THE THERMAL DECOMPOSITION PRODUCTS OF AVIATION FUELS IN THE COOLING CHANNELS

Mikhail Stashkiv

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

Russia, Moscow

Igor Shevchenko

doсtor of  Sciences, professor of the Department of Innovativ Technologies of High-Tech Industries of the Scientific Research University “MEI”,

Russia, Moscow

Leonid Yanovskiu

doсtor of  Sciences, professor of the Department of Innovativ Technologies of High-Tech Industries of the Scientific Research University “MEI”,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Проведен анализ процессов тепловых процесс в обогреваемом канале системы охлаждения высокоскоростного летательного аппарата. Получена зависимость для расчета продуктов термического разложения углеводородных соединений входящих в состав эндотермических топлив. Зависимость, дополненная эмпирическими коэффициентами, позволяет произвести аппроксимацию для продуктов разложения широкого круга углеводородных соединений при различных степенях разложения.

ABSTRACT

The analysis of the processes of thermal process in the heated channel of the cooling system of a high-speed aircraft. The dependence for the calculation of the products of thermal decomposition of hydrocarbon compounds included in the composition of endothermic fuels is obtained. The dependence supplemented with empirical coefficients allows one to approximate the decomposition products of a wide range of hydrocarbon compounds at various degrees of decomposition.

Ключевые слова: эндотермическое топливо, хладоресурс, продукты термодеструкции, концентрация продуктов. 

Keywords: endothermic fuel, refrigerant, thermal decomposition products, product concentration.

Разработка высокоскоростных летательных аппаратов напрямую связана с необходимостью создания высокоэффективных систем охлаждения планера и двигательной установки. При  гиперзвуковых скоростях аэродинамический нагрев потока воздуха при торможении о стенки летательного аппарата настолько велик, что топливо становится единственно возможным хладагентом на борту летательного аппарата. Топливо прокачивается по каналам системы охлаждения и, нагреваясь, отводит тепловую энергию, тем самым, поддерживая допустимый уровень температур конструкции. Для увеличения эффективности системы охлаждения необходимо увеличивать хладоресурс топлива, что становится возможным с применением эндотермического топлива, которое дополнительно поглощает теплоту за счет процессов термического разложения.

Принципы использования хладоресурса и работоспособности эндотермических топлив (ЭТ) в ВРД различных типов в общем случае можно разделить на три основные группы: охлаждение рабочего тела (воздуха); охлаждение элементов конструкции; использование работоспособности газифицированного топлива.

Для практического применения ЭТ необходимы методик инженерных расчетов процессов протекающих при эндотермическом  разложении топлива в обогреваемом канале.

В работе на основании анализа тепловых процессов разрабатывается зависимость для расчета продуктов термического разложения в обогреваемых каналах  системы охлаждения.

Для определения тепловой энергии поглощаемой при термохимическом разложении углеводородного эндотермического топлива необходимо вычислить количество тепла, идущее на осуществление эндотермических реакций. Количество тепла, поглощаемое 1 кг топлива при его разложении, запишем в виде:

,                                                              (1)

где:  – тепловой эффект от полного разложения 1 кг исходного топлива в условиях рабочей температуры и давления.

Преимущество такого представления  заключается в небольшом объеме экспериментального исследования, которое необходимо провести для конкретного топлива. Однако при изменении рабочей температуры и давления будет существенно изменяться и , а значит зависимостью (1) можно пользоваться лишь для оценочных расчетов или при планировании последующих экспериментов.

Более точный результат может быть получен с использованием закона Гесса, который для рассматриваемого случая можно записать в виде:

,                                         (2)

где:  – теплота образования исходного топлива;

 – теплота образования j-го продукта термического разложения;

 – массовая доля j-го продукта термического разложения;

m – количество принятых во внимание продуктов термического разложения.

Значения теплот образования для каждого химического соединения являются функциями температуры [1]. Для топлива теплота образования рассчитывается по принципу аддитивности, через теплоту образования компонентов топлива.

Сравнение величин  полученных экспериментально и вычисленных по зависимостям (1) и (2) для топлива н-октан приведено на рисунке 1. Как видно из рисунка 1, величина , рассчитанная по уравнению (1), отличается от  вычисленной по уравнению (2) практически во всем диапазоне изменения степени разложения, при этом максимальное отклонение достигает 25%.

Результаты, полученные с использованием зависимости (2) хорошо согласуется с экспериментальными данными. При этом (2) учитывает влияние температуры и давления смеси топлива и продуктов термического разложения на тепловой эффект эндотермических реакций, являясь более универсальной.

Рисунок 1. Теплота разложения н-октана , кДж/кг, в зависимости от степени разложения топлива при T = 1000K, P = 5 МПа:  1 - расчет по формуле (1); 2 – расчет по формуле (2); 3 - эксперимент

Для использования (2) необходимо иметь информацию о составе и концентрации продуктов термического разложения, что требует проведения экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования состава продуктов разложения эндотермических топлив показывают, что изменение концентрации продуктов разложения носит нелинейный характер и существенно меняется в зависимости от степени разложения исходного вещества.

Массовая доля, образующегося при разложении i – го компонента, может быть записана в виде полинома [2]:

                                                  (3)

где: р – давление топлива;

p₀ – атмосферное давление;

α_i; β_i; γ; a_1,i; a_2,i; a_3,i  – эмпирические коэффициенты, значения которых определяются для каждого теплоносителя отдельно.

Однако, проведенные экспериментальные исследования и данные работы [3] показывают, что при высоких степенях разложения Z > 0,8 наблюдается резкое изменение концентраций продуктов термического разложения. Особенно это касается высокомолекулярных продуктов термического разложения.

С целью учета этого явления предлагается увеличить степень полинома в формуле (3) и использовать зависимость вида:

,                                        (4)

где: Δ_i, a_4,i, – дополнительные эмпирические коэффициенты.

Помимо увеличения степени полинома вводится дополнительный эмпирический коэффициент . Так как полный химический анализ является трудоемким и дорогостоящим, то целесообразнее определять не концентрацию отдельных веществ, а массовую долю определенной фракции (для продуктов разложения С₄ и выше). В этом случае можно разбить фракцию на конкретные вещества, воспользовавшись коэффициентом Δ_i. Коэффициенты a_1,i, a_2,i, a_3,i, a_4,i, – определяются по экспериментальным данным для каждого давления, с использованием метода наименьших квадратов. Для полинома четвертой степени без свободного члена система относительно коэффициентов запишется в виде:

,                (5)

где: Z_j, g_j – экспериментальные величины степени разложения топлива и соответствующей ей концентрации рассматриваемого продукта разложения.

Необходимо чтобы для концентраций газов деструкции выполнялось условие:

.                                                                (6)

Обозначим , тогда коэффициенты в окончательном виде запишутся как:

,   а для , , :   . (7)

После этого определяются коэффициенты α_i, β_i, γ_i. Задача сводится к минимизации функционала отклонения полученных ранее полиномов. Значения эмпирических коэффициентов для н-октана приведены в таблице 1.

На рисунках 2 - 5 приведено сравнение экспериментальных данных и результатов расчета продуктов разложения н-октана по формуле 4. Как видно расчетные и экспериментальные значения концентрации отдельных продуктов разложения отличаются не более чем на  ± 4%.

Таблица 1.

Эмпирические коэффициенты в формуле 4 для н-октана

Рисунок 2. Концентрация водорода в зависимости от степени термического разложения

Рисунок 3. Концентрация метана в зависимости от степени термического разложения

Рисунок 4. Концентрация этилена в зависимости от степени термического разложения

Рисунок 5. Концентрация С₅ - С₇ в зависимости от степени термического разложения

Выводы.

Предложенная зависимость для расчета продуктов термического разложения является универсальной для углеводородных соединений входящих в состав эндотермических топлив. С ее использованием путем изменения эмпирических коэффициентов можно произвести аппроксимацию для продуктов разложения широкого круга углеводородных соединений при различных степенях разложения.

Список литературы:

1. Введенский А.А. Термодинамические расчеты нефтехимических процессов. – Гостоптехиздат. – 1960. - 576 с.
2. Шидлаускас В.А., Тамонис М.М., Яновский Л.С. Перенос импульса, энергии и массы в каналах переменного сечения. / Численное моделирование сопряженных процессов тепло- и массообмена в каналах) // Труды АН Лит.ССР. Сер Б. – 1989. – Т.6(175). – С. 99-107.
3. Старик А.М., Титова Н.С., Яновский Л.С. Анализ особенностей кинетики горения продуктов термического разложения n-октана в смеси с воздухом // ТВТ. 1999. Т.37. №2. -  С.294.