Бабкин А.И. - Определение удельной теплоты сгорания топлива

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Отраслевой факультет ракетно-космической техники

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Методические указания к

лабораторной работе

Под редакцией А. И. Бабкина

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

1997

ББК 24.53

О-62

Рецензент Ю.А. Пучков

О-62 Определение удельной теплоты сгорания топлива кало­риметрическим методом: Методические указания к лабора­торной работе / А.А. Дорофеев, Е.Л. Портянко, C.JI. Березина, В.А. Батюк; Под. ред. А.И. Бабкина. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. — 24 с., ил. -

Приведена методика калориметрических измерений по определению удельной теплоты сгорания различных видов топлива. Рассмотрены необ­ходимые сведения из курса химической термодинамики. Приведены при­меры расчета суммарной теплоемкости калориметра и удельной теплоты сгорания топлива с учетом соответствующих поправок.

Для студентов старших курсов, изучающих дисциплины "Характерис­тики ракетных топлив" и "Общая теория ракетных двигателей".

Ил. 5. Библиогр. 5 назв.

ББК 24.53

Редакция заказной литературы

Анатолий Александрович Дорофеев

Евгений Андреевич Портянко

Светлана Львовна Березина

Владимир Алексеевич Батюк

Определение удельной теплоты сгорания топлива

калориметрическим методом

Заведующая редакцией Н.Г. Ковалевская

Редактор С.А. Филиппова

Корректор М.А. Василевская

МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997

Подписано в печать 21.07.97. Формат 60x84/16. Бумага тип № 2.

Печ. л. 1,5. Усл. печ. л. 1,39. Уч.-изд. л. 1,27. Тираж 300 экз. Изд. № 10.

Заказ 5835 С 85

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана,

типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.

107005, Москва, 2-я Бауманская, 5.

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние ракетной техники во многом опреде­ляется уровнем технического совершенства ракетных двигателей, в том числе их высокой надежностью.

Требуемые характеристики надежности ракетных двигателей могут быть достигнуты сочетанием высоких требований как соб­ственно к двигателю, так и к ракетным топливам.

Одной из необходимых фаз комплексного контроля свойств жидкого ракетного топлива является экспериментальная провер­ка значения теплоты сгорания образца горючего в заданном окис­лителе в стандартных контролируемых условиях. Соответствие полученных данных паспортным характеристикам компонента позволяет судить о кондиционности образца и возможности при­менения компонента в реальной ракете.

Точность расчетного определения ожидаемых характеристик двигателя существенно зависит от точности определения энталь­пии компонентов топлива. Сложный химический состав совре­менных ракетных топлив не позволяет рассчитать их полную энтальпию без экспериментально определяемых теплот сгорания, значения которых являются косвенной характеристикой перспек­тивности веществ как возможных компонентов жидких ракетных топлив.

Эти обстоятельства и обеспечивают актуальность исследова­ний удельных теплот сгорания калориметрическим методом, как дающим наиболее достоверные характеристики в условиях про­мышленных лабораторий.

Выделение теплоты при сжигании веществ рассматривается в базовом курсе химии как следствие перестройки энергетических уровней электронов и в цикле учебных дисциплин "Рабочие процессы" при подготовке специалистов на кафедре "Ракетные двигатели" как совокупный процесс преобразования химической энергии в тепловую.

Представляет интерес подход к лабораторному определению удельной теплоты сгорания топлива как к работе, закрепляющей знания и навыки, полученные студентами при изучении химии как дисциплины фундаментального цикла, и прикладных дис-

. 3

циплин специальной подготовки с выделением глубокой взаимо­связи между фундаментальной и прикладной наукой.

Цель работы — закрепление знаний, полученных при изуче­нии соответствующих разделов курса химии и раздела "Характе­ристики компонентов ракетных топлив" дисциплины "Теория рабочих процессов" и "Общая теория ракетных двигателей"; изу­чение применяемых в промышленности современных лаборатор­ных технологий определения удельной теплоты сгорания компо­нента ракетного топлива; формирование у студентов .первичных навыков организации и проведения эксперимента с реальным компонентом ракетного топлива в условиях лаборатории про­мышленного предприятия.

4

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Полное энергосодержание единицы массы индивидуального вещества может быть количественно выражено значением полной энтальпии I_п учитывающей внутреннюю тепловую (термодина­мическая энтальпия) и химическую энергию Q_хим:

где химическая энергия Q_хим равна изменению энергии системы при образовании этого вещества из элементов, находящихся в стандартном состоянии (при давлении 1 физическая атмосфера и температуре 298,15 К).

В цикле преобразования располагаемой полной энергии ра­кетного топлива в кинетическую энергию рабочего тела основ­ным исходным процессом является преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания, коли­чественно оцениваемую термодинамической энтальпией. При этом один из основных показателей ракетного двигателя — удель­ный импульс на расчетном режиме I_уп может быть выражен для заданной конструкции двигателя и параметров в камере как функция удельной теплоты сгорания топлива q_p,T:

где w_a — скорость истечения рабочего тела; С — константа для данного двигателя, q_p,T — количество теплоты, выделяемое при сгорании одного килограмма топлива, в условиях, характеризуе­мых давлением р и температурой Т.

Выражение (1) позволяет, используя экспериментальную теп­лоту сгорания конкретного образца топлива из группы близких по свойствам топлив, оценить его кондиционность по соответ­ствию прогнозируемого удельного импульса и требуемого значе­ния. Необходимая однозначность таких оценок требует однозначной определенности при экспериментальном измерении теплоты сгорания.

Теоретические основы измерения удельных теплот сгорания рассматриваются в разделе химической термодинамики — термо­химии, исследующей закономерности тепловых эффектов хими­ческих реакций и физико-химических процессов.

В основе термохимии лежит I закон термодинамики:

где Q — количество сообщенной системе теплоты; ΔU — прира­щение внутренней энергии при переходе системы из начального в конечное состояние; W — суммарная работа, совершенная системой.

Для бесконечно малых элементарных процессов уравнение (2)

принимает вид

где pdV — элементарная работа расширения; δW' — сумма всех остальных видов элементарных работ.

В случае изобарного процесса

или

Если процесс протекает при постоянном объеме, то есть ра­бота расширения pdV = 0, и не совершается работа других видов, то количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на уве­личение ее внутренней энергии:

Вводя функцию Н = U + рV, называемую энтальпией и яв­ляющуюся функцией состояния, т.е. не зависящую от пути про­цесса, получаем:

Следовательно, сообщенная системе теплота расходуется на уве­личение ее энтальпии.

Таким образом, если химическая реакция протекает при по­стоянном объеме или давлении, то ее тепловой эффект, как это следует из уравнений (3) и (4), определяется начальным и ко­нечным состоянием системы и не зависит от пути процесса (закон Гесса).

Экспериментальное определение тепловых эффектов проводят в специальных приборах — калориметрах. При калориметричес­ких измерениях величину и знак теплового эффекта процесса определяют по изменению температуры калориметра Δt

где m₁ … m_i — массы исследуемого вещества, калориметра и вспомогательных частей (мешалки, термометра и т. д.); c₁ ... с_i — их удельные теплоемкости; C_k — суммарная теплоемкость кало­риметрической системы. Уравнение (2.11) можно записать в виде

где К — константа калориметра, т. е. теплоемкость калориметра и вспомогательных частей; c₁ — теплоемкость содержимого ка­лориметра; m₁ — масса содержимого калориметра; Δt — измене­ние температуры процесса при отсутствии теплообмена калори­метра с окружающей средой.

Калориметр с изотермической оболочкой позволяет учесть теплообмен с окружающей средой, что дает возможность вычис­лить изменение температуры Δt , соответствующее опыту без теп­лообмена.

Теплоемкостью системы называют производную δQ/dT:

где С_V и С_р — теплоемкости при постоянных объеме и давлении. Однако при расчетах часто используют среднюю теплоемкость (отношение сообщенной системе теплоты к повышению темпе­ратуры): 7

где с — средняя удельная теплоемкость; m — масса системы. За­висимость между истинной и средней теплоемкостью выражает­ся уравнением:

При разнице температур не менее 5 градусов даже на совер­шенных калориметрах (с точностью измерений 0,05 %) не удается 'установить различия между истинной и средней теплоемкостью. Поэтому теплоемкость, определенную в результате изменения температуры калориметра на 2...3 градуса, принимают за истин­ную и относят ее к температуре (T₁ + T₂)/2.

Если во время опыта давление в калориметрической системе остается постоянным ( в калориметрах открытого типа оно равно атмосферному), то тепловой эффект процесса и теплоемкость соответственно обозначают Q_р и С_р При сжигании вещества в калориметрической бомбе (V= const) тепловой эффект будет равен Q_V