книги из ГПНТБ / Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

530 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

этого катализатора весовое соотношение водных растворов пере­

киси водорода и перманганата натрия должно быть в пределах— 12—26. В существующих ПГГ расход жидкого катализатора составляет около 7—8% от расхода 80 %-ной перекиси водо­ рода.

Корродирующее действие на алюминиевые элементы турбины двигателя едкого натра, образующегося в процессе химического взаимодействия перекиси водорода с перманганатом натрия, не­ значительно. Менее агрессивны к металлам гидриды окисей каль­ ция и бария, что видно из сравнения растворимостей этих веществ Однако малая растворимость их является, с другой стороны, боль­ шим недостатком, так как турбина двигателя засоряется продук­ тами МпО2, Ва(ОН)2 и Са(ОН)2.

Это обстоятельство является одной из причин, заставивших

конструкторов двигателей отказаться от применения жидкого ка­ тализатора перекиси водорода в системах топливоподачи ЖРД и разработать ПГГ с твердым катализатором.

Перекисеводородный парогазогенератор с жидким катализато­ ром представляет собой систему (см. фиг. 10.4), состоящую из ре­ актора (камеры смешения), бака для перекиси водорода и бака для перманганата натрия, баллона сжатого азота для вытеснения из баков в реактор рабочих компонентов, редуктора давления, до­ зирующих контрольных клапанов, трубопроводов и других мелких

элементов.

Водные растворы перекиси водорода и перманганата натрия под давлением газа в их баках впрыскиваются через специальные струйные форсунки в реактор ПГГ, где смешиваются между собой

и вступают в химическую реакцию, в результате которой образуется парогаз заданных параметров.

Расчет перекисеводородного парогазогенератора с жидким ка­ тализатором в основном сводится к определению:

1) состава и параметров получаемого парогаза при заданном давлении в реакторе и выбранной рецептуре рабочих компо­ нентов;

2) основных геометрических размеров камеры парогазогенера­ тора (реактора) и автоматики, включая и коммуникации.

Конструкция и объем реактора должны обеспечивать достаточ­ ное перемешивание компонентов и возможно быстрое их взаимо­ действие, а автоматика парогазогенератора — стабильность задан­ ных режимов работы. Соотношение длины цилиндрического реак­ тора к его диаметру в существующих конструкциях ПГГ не пре­ вышает 2.

Так как диссоциация продуктов разложения перекиси при тех температурах, которые имеют место в реакторе, отсутствует, то па­ рогаз состоит из паров воды и газообразного кислорода (если пре­ небречь относительно небольшим содержанием образующихся твердых продуктов).

532 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

что в сумме составляет

Опг=Он2о + Gq2 + Омпо2 + Оыаон кг/сек,

где Опер и дкат— секундные расходы в парогазогенератор соответ­

ственно перекиси водорода и перманганата нат­ рия;

Опер и <гкат— весовые концентрации в водных растворах перекиси водорода и перманганата натрия.

На фиг. 10. 15 приведены результаты термохимического расчета состава парогаза при секундных расходах перекиси водорода

80%-ной весовой концентрации аПеР=2,035 кг/сек и перманганата натрия 28 %-ной весовой концентрации 6ка1г=0,165 кг/сек.

Фиг. 10. 15. Результаты расчета продуктов разложения перекиси водо­

рода 80%-ной весовой концентрации с перманганатом натрия 28%-ной концентрации.

Расчеты показывают, что разные концентрации перманганата натрия и весовые соотношения его с перекисью водорода незначи­ тельно влияют на состав получаемого парогаза, что объясняется небольшим удельным весом реакции (10.54) в процессе образова­ ния парогаза. Состав парогаза определяется в основном заданной концентрацией перекиси водорода.

При технических расчетах содержанием в парогазе перекиси марганца и едкого натра обычно пренебрегают из-за малых их количеств.

В табл. 10.2 приведены средние значения весового и объемно­ го состава парогаза при разных весовых концентрациях перекиси водорода и перманганата натрия в водных растворах.

При расчетах давлением в реакторе парогазогенератора обыч­ но задаются, а температуру и теплосодержание парогаза опреде­ ляют на основании уравнения теплового баланса разложения пе­ рекиси водорода с заданным жидким катализатором. Температура получаемого парогаза зависит от:

1)давления в реакторе парогазогенератора;

2)физико-химических свойств рабочих компонентов (реаген­

тов) ;

3)коэффициентов концентрации этих компонентов в водных растворах;

4)весового соотношения рабочих компонентов.

Если пренебречь небольшим количеством тепла, идущим на нагревание твердых продуктов NaOH и МпОг, то теоретическую температуру парогаза (в предположении полной реакции разло­ жения перекиси водорода и отсутствия потерь тепла в окружаю­ щую среду) можно определить из следующего уравнения баланса тепла:

[■Мн2О (рСр)н2О + Mo2 (Р-Ср)о2] ^пг.т= Рвыд»

т. е.

(нСр)н2о и (|1Ср)о2 — молярные теплоемкости при постоянном давле­ нии в ккал1кмоль °C соответственно водяного

пара и газообразного кислорода; берутся из таблицы в зависимости от предполагаемой

температуры парогаза;

534 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

QBbI,= 10750 (4,025 Н- 18,20хпеп—— — Л4н,о) ккал1кмоль.

Количество образующегося парогаза в секунду зависит от рас­ хода жидких компонентов за это время в реактор парогазогенера­ тора. Причем так как секундные расходы компонентов в реактор

практически определяются давлением газа, поступающего из акку­

мулятора в баки перекиси водорода и перманганата через редук­ тор давления, то давление и расход парогаза из реактора в турби­ ну ТНА регулируются редуктором давления.

Перекисеводородный парогазогенератор с жидким катализато­ ром двигателя А-4 имеет следующие данные:

I) рабочие компоненты: 80%-ная Н2О2 по весу, 28%-ный NaMnCU по весу

2) расходы компонентов: перекиси водорода — 2,035 кг/сек,

перманганата натрия — 0,165 кг/сек.

3)параметры получаемого парогаза:

давление — 28 ата

температура — 380±40° С

4)производительность парогазогенератора — 2,2 кг/сек.

5)продолжительность работы — 60 сек.>

6)общий вес компонентов в баках установки: перекиси водорода — 169 кг перманганата натрия — 14 кг

536 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

Катализаторами перекиси водорода могут являться и другие

вещества (водный раствор перманганата КМпО4, сода).

Твердые катализаторы перекиси водорода могут представлять собой керамиковые кубики или пластины, пропитанные соответ­ ствующими каталитическими веществами, или специальные брике­ ты, получаемые прессованием н последующим спеканием соответ­ ствующих веществ (подобно порошковой металлургии).

В качестве связывающего вещества для брикетов (носителя ка­ тализатора) могут быть использованы металлический свинец, по­ рошки железа, алюминия, меди и других металлов. Для увеличения

пористости брикетов к смеси добавляют азотнокислый калий KNO3, борную кислоту Н3ВО3, окиси кобальта СогО3 и никеля №30з, ко торые одновременно являются катализаторами перекиси водорода Перекись водорода в присутствии твердого катализатора разла­

гается с выделением тепла согласно уравнениям: а) в случае 100%-ной весовой концентрации

Н2О2 — Н2О (вода) + 0,5О2 +23 450 ккал кмоль-,

б) в случае апер%-ной весовой концентрации

Н2О2-/пперН2О —(1 — 7Дпер) Н2О (вода) 4-0,5О2,

5,9% водорода и 94,1% кислорода. Почти половина этого кислоро­ да остается связанной с водородом в виде воды.

Количество тепла, выделяемого при разложении 1 кг перекиси водорода согласно уравнению реакции, равно

Это тепло расходуется на подогрев и испарение воды компонен­ тов и на нагревание образующегося парогаза. По мере понижения концентрации перекиси водорода температура получаемого паро­

газа понижается, так как при этом увеличивается расход тепла на испарение воды.

и выделяется тепла

Qbыд(юо%)ООО ккал/кг,

а при разложении 1 кг перекиси водорода апер%-ной концентра­ ции соответственно

давлении 1 ата воды компонентов и повышения температуры обра зующегося парогаза почти до 960° С (фиг. 10. 16). Теплота разло­ жения перекиси водорода растет линейно от нуля (чистая вода)

до 690 ккал!кг (100%-ная Н2О2).

Вначале эта теплота расходуется на нагревание жидкости а затем, начиная с концентрации 13,5% Н2О2, — на испарение воды При концентрации перекиси 64,5% выделяется такое количество тепла, которого достаточно для полного испарения жидкости, т. е

для образования сухого насыщенного пара. С этого момента теп­

лота разложения перекиси дополнительно расходуется на нагрев

парогаза. В случае использования 80 %-ной Н2О2 температура паро­ газа при давлении 1 ата равна около 460° С.

При использовании твердого катализатора простым изменением концентрации перекиси водорода можно получить парогаз строгс определенной температуры, что является одним из достоинств это

го катализатора.

На фиг. 10. 17 дана диаграмма зависимости температуры и теп­ лосодержания парогаза от концентрации перекиси водорода и дав

ления в реакторе.

Эту диаграмму можно использовать при расчете перекисево

дородного парогазогенератора.

На фиг. 10. 18 приведена термодинамическая характеристика разложения перекиси водорода Н2О2 различной концентрации при

538 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

твердом и жидком катализаторах ’. В качестве последнего принят

перманганат натрия NaMnO4 с концентрацией (Ткат »0,35.

Кривые этой фигуры показывают, что концентрация перекиси водорода <Тпер=0,7-4-1,0 обеспечивает диапазон температуры паро-

Фиг. 10. 16. Ф1изико-химические характеристики перекиси водорода при давлении 1 ата и различных весовых концентрациях.

таза вплоть до максимально допустимого в настоящее время для тазовых турбин. Предпочтительно использовать твердый катализа­ тор.

На фиг. 10. 19 приведены результаты расчета разложения окиси этилена С2Н4О при различных давлениях в камере-реакторе1 Кривые этой фигуры показывают, что температура газовой смеси допустима для современных турбин, а параметр /?к7’к, характеризу