La función de la tobera
es convertir la energía termo-química obtenida en la
cámara de combustión en energía cinética,
transformará, pues, el gas lento, de alta presión y
temperatura de la cámara de combustión en un fluido
de alta velocidad, con menor presión y temperatura.-
Cómo el “Impulso”
es: el producto de la masa (caudal que fluye por la tobera) por la
velocidad, es deseable lograr una muy elevada velocidad de expulsión.-
En las Toberas pueden obtenerse velocidades comprendidas entre 1500
y 3600 m/seg.- La tobera De Laval (fig 2) consta de una sección
convergente seguida de otra divergente, el empalme de ambas es la
garganta de la tobera.-
La longitud de las toberas (
o bien el área de salida de las mismas) se hace por lo general
lo suficientemente grande para permitir la reducción de la
elevada presión existente en la cámara de combustión
hasta la del medio ambiente .- La caída de temperatura en los
gases que atraviesan la tobera es de unos 1500 ºC, ya que en
la cámara de combustión esta a unos 3000 ºC , siendo
por lo tanto de unos 1500 ºC al ser expulsados.-
· Elección del combustible
Existe una variedad de
combinaciones de combustibles-oxidantes algunas de las cuales están
indicadas en la tabla nº I .- La mayoría de ellas son
peligrosas, tóxicas y de alto costos.-
Es por ello que le aconsejamos
utilizar en sus experiencias simplemente hidrocarburos líquidos
como combustible y oxígeno gaseosos, como oxidantes.- Podrá
así obtener buenos rendimientos, la llama de la combustión
será bien visible y su elevada temperatura ofrecerá
nuevos motivos de interés en el proyecto.-
Estos combustibles fueron por
otra parte los utilizados por los motores Atlas, y Saturno. Si bien
el oxígeno empleado por ellos era líquido en vez de
gaseoso.-
Es fácil obtener oxígeno
gaseoso, viene en cilindros a presión destinados a soldadura
autógena y con las precauciones que mencionaremos más
adelante sobre su manejo no ofrece mayores riesgo, para su uso.- Existen
en el comercio elementos apropiados para regular la presión
del gas y sus régimen de extracción.-
Hidrocarburos líquidos
como la Nafta, o el alcohol son también de fácil obtención
y bajo costo, siendo conocidas las precauciones a adoptar para su
empleo.-
| Tabla I. Rendimiendo
de algunos combustibles líquidos |
|
Combinación
Combust / oxidante
|
Presión de
la combustión kg/cm2
|
Relación
mezcla
|
Temperatura ºC |
I = impulso
específico (seg.) |
|
| Nafta – Oxig. Líquido |
24 |
0.40 |
3000 |
242 |
| Nafta – Oxig. Líquido |
24 |
0.40 |
3200 |
261 |
| Nafta – Oxig. Líquido |
40 |
0.40 |
3300 |
279 |
| JP4 – Oxig. Líquido |
40 |
0.45 |
3300 |
255 |
| Alcohol metílico y Oxig.
Líquido |
24 |
0.80 |
2800 |
238 |
| Alcohol metílico y Oxig.
gaseoso |
24 |
0.83 |
2900 |
248 |
| Hidrógeno y oxíg.
Líquido |
40 |
0.28 |
2500 |
363 |
| JP 4 y acido nítrico |
40 |
0.24 |
2800 |
238 |
|
|
Nota: JP 4 = combustible especial para Jets.-
Definiendo cómo
índice de oxidación la relación O/C de los caudales
en peso de oxidante y combustible que afluyen a la cámara de
combustión, se tendrá que la máxima temperatura
de la llama corresponderá a la cantidad de oxígeno presente
justamente necesaria para reaccionar con el combustible.- Si se desea
menor temperatura es preferible aportar mayor cantidad de combustible
que de oxidante, pues ello alivia las condiciones en que la máquina
debe operar.-
Figura 3a. Temperatura de la llama versus
presión en la
cámara para óptima relación de la mezcla.
Figura 3b. Idem versus índice de
oxidación a presión
de cámara constante (24kg/cm2)
La fig 3 (A) muestra como varía
la temperatura de llama con la presión en la cámara
para una óptima relación de la mezcla y en (B) cuando
la presión se mantiene constante y varía el índice
de oxidación.-La fuerza desarrollada por kgr (en total) de
gases quemados por segundos es lo que se conoce como: “Impulso
específico”.
Impulso Específico
= Fuerza / Caudal total de gases
La fig 4, indica el máximo
impulso específico que puede obtenerse de los hidrocarburos
al ser quemados en oxigeno gaseoso a diversas presiones de cámara
y expansión a la presión atmosférica.-
Este gráfico se puede
utilizar para determinar el régimen de combustible necesario
para producir un determinado impulso.- Supongamos que Ud decide construir
un retro-propulsor alimentado con nafta y oxígeno gaseoso a
16 kgr/cm2 de presión en la cámara con fuerza de 50
kg.- En estas condiciones, el rendimiento del combustible, de acuerdo
con la fig 4 , es de 244 kg de fuerza por kg de gas consumido por
segundo, por lo tanto el gasto total será:
G.T. = F / I especific.
= 50 / 244 = 0.21 kg/seg
Como el índice de oxidación para
la mezcla : nafta-O2 es de 2,5 tendremos:
GO = GT . ( 1 / I + 1
) = 0.35 Kg/seg (consumo de O2)
GC = GT . ( 1 / I + 1
) = 0.059 Kg/seg (consumo de combustuble)
La tabla II resume las principales
propiedades físicas y químicas del Oxigeno Gaseoso,
alcohol metílico y Nafta.-
Figura 4. El impulso específico,
como rendimiento de
los hidrocarburos.
