Охлаждающая способность углеводородов

В современных авиационных и космических системах тепло­вые нагрузки на металл достигают огромных величин. Нагреваемые поверхности для предотвращения преждевре­менного разрушения охлаждают, омывая внешнюю сторону на­греваемой металлической стенки потоком топлива (авиационные системы), горючего или окислителя (ракетные системы). На са­молетах в специальных теплообменных аппаратах охлаждают топливом циркулирующие смазочные масла и жидкости, являю­щиеся рабочим телом для гидравлических и различных автома­тически действующих устройств. В зависимости от величины те­плового напора изменяются условия (количество, скорость и дав­ление), при которых пропускается топливо, горючее или окисли­тель по охлаждаемому тракту, прежде чем оно попадает в зону сгорания.

Эффективность охлаждающей жидкости определяют ее тепло­емкость, теплопроводность, плотность, вязкость, пределы кипения (давление насыщенных паров) и, наконец, коэффициент теплопе­редачи от нагретой стенки к жидкости.

Можно представить несколько условий теплообмена:

1. Охлаждающая жидкость омывает стенку, нагретую до тем­пературы, намного ниже температуры ее кипения. Это наиболее простой случай конвективного теплообмена;

2. Охлаждающая жидкость омывает стенку, нагретую до тем­пературы, намного превышающей температуру ее кипения. При этом в пограничном слое жидкость — стенка будет происходить усиленное парообразование или так называемое поверхностное пристеночное (пупырчатое) кипение, хотя среднемассовая темпе­ратура охлаждающей жидкости может оставаться без сущест­венного изменения. Общее закипание в теплообменном аппарате охлаждающей жидкости приведет к резкому снижению коэффи­циента теплопередачи, увеличению гидравлического сопротивления, возникновению пульсационного режима в парожидкостной смеси, нарушению нормальной подачи охладителя в систему. В этих ус­ловиях (при достаточно высокой тепловой нагрузке) наступит так называемый кризис кипения — в пограничном слое образует­ся устойчивая изолирующая паровая пленка. Если пристеночное (пузырчатое) кипение сопровождается улучшением коэффициен­та теплопередачи от стенки к жидкости за счет более интенсив­ного перемешивания охлаждающей жидкости, то с образованием устойчивого парового изолирующего слоя (пленочное кипение), коэффициент теплопередачи резко падает, быстро повышается температура охлаждаемой поверхности вплоть до плавления (прогара) металла. Следовательно, кризисной величины тепло­вого напора нужно избегать, поскольку при этом исключается нормальный теплообмен, в результате чего разрушается пере­гретая поверхность.

При давлениях выше критического охлаждающая жидкость не кипит, поскольку она находится лишь в однофазном состоя­нии, и расчет производят как для конвективного теплообмена. С увеличением давления температура кипения углеводородов по­вышается, и при критическом давлении она достигает макси­мального значения. При критической температуре поверхностное натяжение жидкости становится равным нулю, в связи с чем граница между жидкостью и насыщенным паром над ней исче­зает. Однако нагрев охлаждаемой жидкости до критической тем­пературы весьма опасен, так как в околокритической области температур коэффициент теплоотдачи к жидкости резко умень­шается. Наибольший эффект охлаждения достигается в услови­ях возможно большего недогрева жидкости до температуры ее кипения на выходе из теплообменной системы. Обозначим тепло- обменную способность охлаждающей жидкости при турбулент­ном течении в условиях остывания горячей стенки через коэффи­циент А. Для воды этот коэффициент будет равен единице, для метилового спирта 0,545, этилового спирта 0,482, жидкого кисло­рода 0,479, а для четыреххлористого углерода лишь 0,141. Для углеводородов этот коэффициент ненамного выше коэффици­ента для четыреххлористого углерода.

При использовании углеводородных топлив в качестве ох­лаждающих жидкостей могут возникнуть осложнения в связи с их недостаточной стабильностью, повышенными глубиной и ско­ростью распада составляющих компонентов, наличием неугле­водородных органических примесей и минеральных микрозагряз­нений (продукты коррозии металлов, их износа, почвенная пыль и др.).

В зависимости от температуры охлаждаемой стенки наименее стабильные компоненты углеводородных топлив — углеводороды с ненасыщенными связями, серо-, азот- и кислородсодержащие органические соединения — будут подвергаться деструкции с по­следующим уплотнением продуктов распада. Глубина этих про­цессов определяется температурой и наличием в системе раство­ренного кислорода. Чем выше температура стенки и чем больше доступ кислорода воздуха к жидкости, тем глубже будут проис­ходить у нагретой поверхности процессы окислительного уплот­нения продуктов распада нестабильных компонентов охлаждаю­щей углеводородной смеси. При этом на поверхности будет от­кладываться плотный слой твердого вещества (пленка), обычно содержащего большое количество углерода, относительно малые количества водорода, кислорода, серы, азота и зольных элемен­тов. В составе отложений всегда обнаруживаются зольные эле­менты, поскольку в формировании отложений участвуют мине­ральные примеси, оказывая, так же как и повышенная темпера­тура, как бы цементирующее влияние на структуру отложений. Теплопроводность таких отложений весьма низкая >и приравни­вается к теплопроводности окислов металлов. При наличии отло­жений нарушается нормальный теплообмен между металличе­ской стенкой и охлаждающей жидкостью (резко падает коэффи­циент теплоотдачи); на стенке в месте скопления отложений температура будет чрезмерно повышаться, что может привести к разрушению (прогару) металла.

Таким образом, из изложенного можно заключить, что луч­шей охлаждающей способностью обладают насыщенные углево­дороды (алканы, цикланы) высокой степени чистоты, не содер­жащие сернистых и азотистых соединений, минеральных приме­сей и не окисляющиеся в условиях эксплуатации. Следователь­но, охлаждающая способность углеводородных топлив (горючих) определяется стабильностью составляющих компонентов в дан­ных условиях, количеством и скоростью прохождения жидкости, площадью охлаждаемой поверхности, удельной величиной сни­маемого теплового напора, разностью между температурами ки­пения жидкости и охлаждаемой стенки, разностью между темпе­ратурами жидкости на входе и выходе теплообменного аппарата.

Основные зависимости отражены в уравнении теплового ба­ланса охлаждаемого тракта:

где ?qf — сумма произведений удельных тепловых потоков на площади охлаждения соответствующих участков; G — общее ко­личество охлаждающей жидкости; с —средняя удельная тепло­емкость охлаждающей жидкости; Т _вых, Т _вх. — среднемассовая температура жидкости соответственно на выходе и входе охлаж­даемого тракта.

Охлаждающая способность углеводородного топлива или го­рючего может быть оценена:

1) по величине отношения количества тепла, воспринимаемо­го жидкостью при нагреве ее до температуры кипения, к коли­честву тепла, фактически отводимого ею от охлаждаемой поверх­ности;

2) по величине отношения количества тепла, которое может быть снято данным охладителем, к максимальной величине теп­лового потока, передающегося через стенку;

3) по величине отношения температуры начала термического распада компонентов охладителя к температуре охлаждаемой поверхности;

4) по интенсивности самопроизвольного повышения темпера­туры охлаждаемой поверхности вследствие образования на ней слоя продуктов термического распада компонентов охладителя.

Лучшую охлаждающую способность будут иметь стабильные в данных условиях углеводороды и их смеси, характеризующиеся большей плотностью, теплопроводностью, удельной теплоем­костью, температурой кипения и меньшей вязкостью.