Лаба Д-1 (Готовые лабораторные работы)

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции

и ордена Трудового Красного Знамени

государственный технический университет им. Н.Э.Баумана

Лабораторная работе Д-1

“Определение энергетических характеристик топлив”

по курсу

“Теория рабочих процессов”

группа Э1-82

Список студентов:

Антонов Ю.В.

Галлиев Д.И.

Голубцов Е.

Козичев В.В.

Мастеров А.Г.

Пучков Д.А.

Стифунин А.А.

Стрелков А.Г.

Суворов В.С.

Хлгатян А.В.

Ходыкин А.А.

Преподаватель: Сухов А.В.

Работа №1. Определение энергетических характеристик топлив.

Цель работы - изучение основных характеристик топлив и методов их определения; экспериментальное определение полной энтальпии (теплоты образования) одного из видов топлива.

Общие сведения

Одной из важнейших характеристик топлив является тепловая энергия H_T, выделяющаяся при сгорании единицы массы топлива в условиях работы камеры сгорания. Эта величина определяется изменением полной энтальпии системы и равна разности между полной энтальпией исходных веществ и продуктов реакции:

(1)

Помимо оценки энергетических характеристик топлив понятие полных энтальпий в настоящее время широко используется при проведении термодинамических расчетов.

Полная энтальпия любого индивидуального вещества может быть записана как

(2)

где -термодинамическая энтальпия;

-теплота образования вещества из стандартных элементов при температуре T₀.

Под стандартным состоянием элементов понимают состояние, в котором они не обладают химической энергией.

Для наиболее распространенных элементов, входящих в топ­лива, приняты следующие стандартные состояния:

, , , , и др.

3а величину T₀ чаще всего принимают значение 298,16 К. Полная энтальпия топлива может быть найдена исходя из полных энтальпий горючего ( ) и окислителя ( ) при определенном соотношении компонентов (α≥1):

(3)

Второй важнейшей характеристикой топлив являются, теорети­чески необходимое количество окислителя для полного сгорания одного моля горючего:

(4)

где -валентность i-ого химического элемента;

b_i- число атомов i-ого элемента.

Помимо мольного стехиометрического коэффициента K’₀ существует понятие массового K₀ и объемного K”₀ стехиометрического коэффициента:

и

С учетом тепловых потерь на диссоциацию продуктов сгорания в камере кинетики рекомбинации в сопле, а также плотно­сти компонентов топлив значение коэффициента избытка окисли­теля для топлив на основе кислорода выбирается обычно меньше единицы (0,85-0,95). Для топлив на основе фторных окислителей значение этого коэффициента близко 1.

Таким образом, конечной целью выбора значения α являет­ся получение максимального удельного импульса I_у с у четом мас­совых характеристик ДУ или, в соответствии с формулой Циолковского

(5)

получение максимальной скорости полета летательного аппарата.

В настоящей работе определение теплоты образования топ­лива осуществляется методом калориметрирования. Сущность этого экспериментального метода заключается в сжигании определенной навески компонентов топлива в калориметрической бомбе и последующем определении количества выделившегося при этом тепла. В качестве горючего используются углеводороды их производные (керосин, этиловый спирт), в качестве окислителя - кислород.

О писание лабораторной установки

При определении теплоты образования топлива применяется калориметрическая установка со следующими принадлежностями. Калориметрическая бомба (рис.1) представляет собой толсто­стенный стакан емкостью ~ 300 мл с завинчивающейся крышкой, сна6женной изолированным тоководом и двумя вентилями, запираю­щими каналы. Один (заканчивающийся трубкой) служит для напол­нения бомбы кислородом, а другой - для выхода газообразных продуктов сгорании из нее.

Бомба изготовлена из нержавеющей стали по самоуплотняющейся схеме герметизации.

Калориметрический сосуд изготовлен из тонкого, тщательно отполированного металлического листа. Высота сосуда не должна превышать высоту калориметрической бомбы (с вентиляцией) более чем на 5-10 мм. Рабочая емкость сосуда 2000-3000 мл.

Оболочка - хорошо отполированный закрытый двухстенный с двойным дном металлический кожух, защищающий калориметрический сосуд от воздушных потоков и колебаний температуры окружающей среды. Пространство между стенками кожуха заполняется водой.

В оболочке на дне должна находиться теплоизоляционная подставка (эбонитовая, стеклянная, деревянная и др.), на ко­торую ставят калориметрический сосуд. Оболочка снабжена спе­циальными приспособлениями для крепления термометра, лупы и мешалки. Калориметрическая установка сверху закрывается тепло­изоляционной крышкой, имеющей вырезы для стержня мешалки, термометра и токоведущих проводов.

Мешалка должна обеспечить полное и быстрое перемешивание воды в сосуде без образования брызг. Ось мешалки разделена при помощи теплоизоляционной муфты на две части: погруженную в воду и соединенную с движущимся механизмом.

Калориметрическая чашка для навески топлива изготовлена из нержавеющей жароупорной стали и имеет обьем ~ 5 мл.

Термометр для замера температуры калориметра – специальный калориметрический переменного ртутного наполнения с ценой деления шкалы 0,01°.

Лупа с кратностью увеличения в 6-9 раз служит для отсчета показаний термометра.

Кроме того, установка включает в себя трансформатор с выходным напряжением 12 В и сигнальной лампочкой в цепи, электродвигатель привода мешалки, реостат для регулирования скорости движения мешалки и кислородный редуктор с двумя манометрами на 30 и 250 бар.

Масса навески топлива и воды в сосуде определяется с помощью весов аналитических и технических соответственно. Замеры времени проводятся с помощью секундомера.

Подготовка и проведение эксперимента

Во взвешенный калориметрический сосуд наливают с точностью до 1 г такое количество дистиллированной воды, которое использовалось при определении водного эквивалента калориметра, т.е. такого количества воды, которое имеет теплоемкость, равную (эквивалентную) теплоемкости калориметрической системы, состоящей из калориметрического сосуда, находящейся в нем воды, калориметрической бомбы, мешалки и термометра (при данной глубине погружения).

Водный эквивалент калориметра определяют путем сжигания в калориметрической бомбе навески эталонного горючего и замера изменяющейся температуры калориметрической системы в результате поглощения выделившейся при этом теплоты.

Чашечку с жидким компонентом (масса которого, определенная с точностью до 0,0002 г ,составляет ~0,5 г) помещают в кольце токоведущего штифта. Для воспламенения применяют медную проволоку диаметром 0,1-0,2 мм. Один конец свернутой петлей проволоки для запала присоединяют к трубке, другой к штифту. Середина проволоки должна касаться находящегося в чашечке компонента (горючего). После продувки бомбы ее медленно наполняют газообразным компонентом (окислителем) до давления 25-30 бар, закрывают вентили бомбы и баллона и после этого отстыковывают трубку, подводящую кислород. Калориметрический сосуд с водой ставят в оболочку калориметра на теплоизолирующую подставку. Температура воды в сосуде перед его установкой в оболочку должна быть на 1,0-1,5° ниже температуры воды в оболочке.

Бомбу осторожно погружают в калориметрический сосуд, присоединяют к ее зажимам электропровода и устанавливают в калориметрическом сосуде термометр и мешалку. Перед началом испытаний проверяют положение отдельных частей установки:

а) термометр и мешалка (при ее движении) не должны касаться друг друга, а так же стенок бомбы и калориметрического сосуда;

б) середина ртутного резервуара термометра должна находиться на уровне половины высоты погруженной в воду части бомбы;

в) мешалка не должна выступать из воды;

Затем установку закрывают крышкой так, чтобы она не касалась термометра и мешалки. После этого включают электродвигатель. Частота движений мешалки, регулируемая реостатом, во время испытаний должна быть постоянной ,равной 0,5-1,0 с^-1.

Калориметрическое испытание разделяется на три периода.

а) Начальный, предшествующий горению компонента и служащий для учета теплообмена калориметрической системы (бомбы, калориметрического сосуда, воды в нем, погруженных в воду частей мешалки и термометра) с окружающей средой в условиях начальной температуры испытания

б) Главный, в течение которого происходит горение навески, передача тепла калориметрической системе и выравнивание температуры всех ее частей.

в) Конечный, служащий для учета теплообмена калориметрической системы с окружающей средой в условиях конечной температуры испытания.

К испытанию приступают через 5-10 мин после начала пере­мешивания воды в калориметрическом сосуде. В течение этого времени выравниваются температуры всех элементов калориметри­ческой системы и устанавливается равномерное повышение температуры.

Записывают температуру воды в калориметрическом сосуде и делают 5 отсчетов по шкале термометра, каждый через 1 мин. В момент последнего отсчета температуры калориметра в начальном периоде замыкают электроцепь подсоединенную к зажимам бомбы. Топливо воспламеняется и сгорает. Выделившееся тепло передает­ся калориметру. При этом происходит выравнивание температуры всех элементов калориметрической системы. Отсчеты по шкале термометра производится через полминуты (главный период). За последним отсчетом начального периода непосредственно следует первый полуминутный промежуток главного периода .

Главный период считают законченным с наступлением равно­мeрного изменения температуры воды в калориметрическом сосуде, о полуминутные пpoмежутки с равномерным изменением температуры относят к конечному периоду. За последним отсчетом главного периода непосредственно следует первый полуминутный промежуток конечного периода. Всего к конечному периоду относят при­мерно 10 отсчетов по шкале термометра, следующих через полми­нуты и показывающих равномерное изменение температуры калориметрической системы. На рис. 2 схематически представлена кривая изменения температуры воды в калориметрическом со­суде по времени.

Обработка результатов эксперимента

Количество тепла, выделившегося при сгорании единицы массы горючего (1 кг) горючего в калориметрической бомбе ,определяют по формуле

(6)