Болгарский А.В. - Расчет процессов в камере сгорания и сопле жидкосного ракетного двигателя, страница 2

Вычислить весовой элементарный состав этилового спирта для концентраций 60, 80 и 100%. Химическая формула чистого этилового спирта следующая: с н (он) =с н о. Следовательно, молекулярный вес его равен р,=12.2+1.6+16 1=46. Количество молей воды, приходящееся на 1 моль чистого вещества при заданных концентрациях, вычисляется по формуле (5) и будет равно 100 — аг 100 — аг 46 2 55 100 — аг 18аг аг 18 ог 10 Количество атомов различных элементов в 1 моле горючего и их вес определяется так: углерод — количество атомов — и вес 12и водород— — т+2т,, 'т+2тг кислород- ° — р+ т, . 16 (р+ тг) При заданных концентрациях формула дает тая=0, г т'„~ = 0,639, т'„~ = 1,703. Соответствующие химические формулы будут иметь вид: при ч„=100% — СзН,О, при а, = 8086 — С,Н,О.0,639НеО, при е„=60)5 — СзН~О 1 703НяО.

На основе формулы (7) молекулярный вес спирта будет равен при ч„=100% Р'„=Р,=46, при ч„=80О/О р.' = — = 67Д 100 46 г= 80 при е,=6036 Р' = = 76,67. 100.46 60 Напоминаем, что под молекулярным весом вещества с пониженной концентрацией ( е(100) подразумевается сумма молекулярного веса чистого вещества и веса воды, находящейся в 1 моле этого вещества; например, при концентрации спирта в 60'/, вес 1 моля его составляется из веса ! моля чистого спирта Р,=46 и веса ть молей воды, а так как те=1,703, то молекулярный вес этого спирта будет равен Р'= Р+18т„=46+18 ° 1,703=76,67 кг, Весовой состав спирта при данных концентрациях получается по формуле (8) следующий: С, н„ о„ 12 2 6 1б 1 а =100% — 100=52,1м — 100=13,1~/е 100=34,8н; 46 46 46 ~г=80м 100=41,8м 100=12,6м 12 2 б+2 0,639 1б(1+0,639) 100=45,6н; 57,5 ' 57,5 ' 57,5 а„=бО/в — 100=31,3м ' 100=12,3и 12 2 6+2 1,703 16 (1+1,703) 100=56,4м.

76,67 ' 76,67 ' 76,67 2. ТЕПЛОТВОРНОСТЬ КОМПОНЕНТОВ В расчете процессов горения необходимо знать то количество химической энергии, которое вносится в камеру сгорания компонентами топлива; в технических расчетах эта химическая энергия называется теплогворностью. В двигателях, использующих в качестве 11 583,2)(18=10497,5=10 500 ккал/моль.

При таких условиях формулы для определения теплотворности компонентов приходят к виду: горючее Н» = 94 050п, + 57 800. 0,5Рй — Н.гр — 10 500т„, (9) окислитель Н», = 94 0504+ 57 800 '0 51 — Ногр — 10 500ги,. Теплотворность компонентов на 1 кг определяется по формулам н„н„.„ Н, = —," = " ккал/кг, (10) Н, = —;= ' ккал('кг.

1ОО». 12 окислителя атмосферный воздух, топливом принято называть горючее, и при расчете процессов горения теплотворностью топлива называют именно теплотворность горючего, так как теплотворность атмосферного воздуха равна нулю. В расчетах процессов горения в жидкостных ракетных двигателях необходимо учитывать как теплотворность горючего, так и теплотворность окислителя. За химическую энергию, т. е. теплотворность компонента, принимается то количество тепла, которое может выделиться при полном израсходовании 1 кг этого компонента в процессе сгорания. Как общее правило, теплотворность компонента можно определить на основе закона Гесса, исходя иэ того положения, что компонент сначала должен быть разложен на составные элементы, на что должно быть затрачено количество тепла, равное теплоте образования, но взятое с обратным знаком, а затем горючие элементы компонента должны сгореть с полным выделением химической энергии (теплотворности) в виде тепла.

Кроме этого, следует учесть наличие в компонентах воды, на испарение которой должно быть израсходовано определенное количество тепла, так как в технические расчеты должна входить низшая теплотворность компонента. Теплотворность составляющих горючих элементов можно принять по табл. 4 (стр.

25), а расход тепла на испарение имеющейся в компоненте влаги равным 10 500 ккал на каждый моль воды. Все расчеты процессов горения ведутся при начальной температуре 25' С (298' абс.), так как именно при этой температуре принято давать значения теплового эффекта реакций. При этой температуре расход тепла на испарение 1 моля воды округленно получается равным 10 500 ккал7мол10 действительно, по таблицам для водяного пара (см.

М. П. Вукалович и И. И. Новиков «Техническая термодинамикаъ) скрытая теплота парообразования равна 583,2 ккал7кг;'следовательно, на испарение 1 моля воды при 25' С необходимо израс- ходовать В действительности теплотворность горючих обычно известна. Значения Н,е, для компонентов следующие: для 100'/,-ной азотной кислоты Н,в,=41 400 икал/моль, для 100% -ной перекиси водорода Н,е,=44 840 ккал/моль. В случае компонентов, имеющих концентрацию ниже 100'/ь, необходимо учитывать теплоту растворения ', для перекиси водорода она незначительна и равна — 11 ккал/кг, для других окислителей ее можно вычислить по формуле Аги Н, раст + т где пт — число молей воды, приходящееся на 1 моль чистого вещества; для азотной кислоты А=8974, а=1,737.

Обычно в расчет теплотворности включают сумму Н,е,+Н „; для азотной кислоты эта сумма в зависимости от концентрации равна сота 100 95 90 85 80 Нсгр+ Нрсст 41 400 42 260 43 040 43 760 44 410 к«ал/моль Теплотворность окислителей может быть и положительной (НгО.„ СХсОг) и отрицательной (НХОг). Как указано выше, для горючих теплотворность обычно известна.

В табл. 3 даны значения теплотворности этилового н мегилового спиртов в зависимости от их концентрации. Таблица 3 Этиловый спирт Метнловый спирт Концентрации В с/с «кал/ггг ккал/моль клал/моль ««ил/кг В этой таблице по данным значениям Н„вычислены значе"г ния Нг по формуле Н„с, Нг = —" ккал/кг. 100рг т В приложении 1Ч даны значении теплот растворении для некоторых веществ. 13 100 95 90 85 80 75 70 65 60 296 200 294 780 293 200 291 440 289 450 287 200 284 650 281 680 278 220 6440 6080 5740 5380 5030 4680 4330 3980 3630 149 700 148 710 147 620 145 010 145 010 143 440 141 660 139 600 137 200 4680 4410 4150 3890 3620 3360 3090 2830 2570 Для керосина весовая теплотворность колеблется в пределах 10 200 — 10 500 ккал/кг. Формула (9) для определения теплотворности окислителей дает следующие величины теплотворности для азотной кислоты и перекиси водорода при разных концентрациях: 9О 1ОО 70 — 21 770 — 278 7600 179 ННО, — 16 680 — 2З7 10ЗВО 276 — 12 600 — 198 12 600 371 ккал/моль ккал/кг ккал/моль акал/кг Нгс, 4020 вз 8.

УДЕЛЬНЫЙ ВЕС КОМПОНЕНТОВ Удельный вес компонентов определяется как отношение веса его при определенной температуре (для углеводородов обычно при 20' С) к весу того же объема воды при температуре 4'С; этот удельный вес — величина безразмерная и обозначается г/ггь, где нижний индекс «4» указывает, что вода взята при температуре 4' С, а верхний индекс «20» — что компонент взят при 20'С. Так как вес 1 л воды при 4' С равен 1 кг, то безразмерная величина удельного веса г( равна принятой в технике весовой плотности Т, которая имеет размерность кг/л; эту величину в технике и принято называть у д е л ь н ы м весом.

Удельный вес нефтепродуктов значительно зависит от температуры; если удельный вес нефтепродукта при 20' равен Ть, то при температуре /' его можно определить по формуле: Ть=уь — га(1 — 20). В этой формуле значение коэффициента а определяется в зависимости от удельного веса нефтепродукта по формуле 1г=0,000581+0,00126 (0,95 — Т ь) Удельный вес 100%-ных спиртов в зависимости от температуры определяется по формулам: для этилового спирта у ь=0,80665 — 0,000866/; для метилового спирта Т г=0,81034 — 0,0009175 Удельный вес спиртов при температуре 25' С в зависимости от их концентрации приближенно можно определить по следующим формулам: для этилового спирта 7,=0,8623 — 0,00253(а — 70); для метилового спирта т. 0,8658 — 0,00261 (а — 70). Зависимость удельного веса 100%-ной азотной кислоты от температуры и от концентрации при температуре 25'С выражается формулами в пределах от,0 до 80' Т,= 1,53 †0001; в пределах от 90 до 100ьь т.= 1,492 †,0012(а — 90).

Удельный вес жидкого кислорода можно принимать равным Т =1,14 кгlл. Удельный вес перекиси водорода в зависимости от концентрации при 25'С равен Т,=1,16+0,005( а — 40). 4. СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИИ КОЭФФИЦИЕНТ СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ И КОЭФФИЦИЕНТ ИЗБЫТКА ОКИСЛИТЕЛЯ Стехиометрический коэффициент соотношения компонентов в таком случае определится из условия, что количество атомов кислорода в топливе должно равняться количеству'его в продуктах сгорания; нз основного уравнения при этом получается р+ т, + й,т + й,т, = 2 (п+ й,д) + 0 5 [т+ 2т„+ й, (1+ 2т,)].

Решение этого уравнения относительно величины й. дает + 2л+ О,зи — р 0 р — 24 — 0,01 (12) гз Стехиометрическим коэффициентом соотношен и я к о м п о н е н т о в называется количество молей окислителя, теоретически необходимое для полного сжигания 1 моля горючего. Наиболее просто стехиометрический коэффициент соотношения компонентов определяется по уравнениям химических реакций.