Прямоточные воздушно-реактивные двигатели Бондарюк М.М. Ильяшенко С.М. (1014191), страница 24
Текст из файла (страница 24)
й 4. ПОНЯТИЕ О ХИМИЧЕСКОМ РАВНОВЕСИИ. ДИССОЦИАЦИЯ П~РОДУКТОВ СГОРАНИЯ Вещества, входящие в состав горючей смеси, способны вступать в химическое соединение друг с другом: при известных условиях кислород воздуха соединяется с водородом, углеродом и другими компонентами горючего. При нормальной температуре реакции окисления углеводородов не происходит. Для того чтобы реакция началась, горячую смесь следует нагреть до некоторой температуры, называемой температурой воепламене"ая Гг, Если теплота реакции, развивающаяся в подожженном объеме, больше теплоты, отводимой путем теплопроводности и луче- 1]а 163 Н, + — Оз< — НзО. 1 2 (6. 28) Стрелки, указывающие в обе стороны, означают, что при соответствующих условиях реакция может течь как в одну, так и в другую сторону. Горячие продукты сгорания ~водорода в кислороде со- держат Нм Ом НзО, ОН, Н и О.
Обозначим парциальные давления компонентов, определяемые числом молекул данного компонента в единице объема и температурой смеси через рн > Ро1 Рн,о, Рон Рн " Ро На основании закона действующих масс, обоснование которого дается в курсах термодинамики, можно написать уравнения химического равновесия: 1 2 Рн,ро, кн,о= Рн,о (6. 29) Постоянная йн,о называется констанюй химического равновесия для реакции образования воды из водорода и кислорода. Степень, в которой каждое парциальное давление входит (в уравнение химического равновесия, равна числу молекул, входящих в уравнение реакции (6. 28). Константы равновесия, определяемые опытным путем, являются Функциями только температуры и не зависят ни от давления, под ко- пят испускания, то смесь разогревается, скорость реакции возрастает за счет увеличения скорости движения молекул и увеличения числа столкновений, приводящих к соединению, и спокойная реакция может перейти во взрывную.
Остывшие продукты сгорания состоят из углекислоты СОь водяных паров Н,О, окиси углерода СО и азота Мь Кроме того, в продуктах сгорания остается азот воздуха, который участия в реакции практически не принимает. Остаются и те вещества, которые перед началом реакции были в избытке,— кислород или несгоревшие компоненты топлива. Спектроскопические исследования показывают, что в горячих продуктах сгорания, помимо перечисленных конечных продуктов, содержатся исходные вешесэва и ряд промежуточных продуктов реакции. Так, например, горячие продукты сгорания водорода в кислороде содержат не только конечный продукт — водяные пары, но и исходные вещества Ое и Нм а также промежуточные соединения и свободные атомы ОН, Н и О.
С увеличением начальной температуры смеси Те. температура продуктов сгорания возрастает и процентное содержание конечных продуктов уменьшается. Рассмотрим реакцию соединения воДорода с кислородом: торым находится реагирующая смесь, ни от наличия иных примесей (табл. 6. 7). таблица 6.7 Константы равновесия (дазЛЕИИЕ ВЫражЕНО И Нцзлтз)з Кои- Т Г800ек стаита Т=3000' К Т=2ЮОО К Т=2600ь К Реакция СОз~ьСО+ — 02 1 1 Н2О Н+ О 1 Н20~+ОН+ — Н, н н+'н ~2е — ! 1+! ! 1 1 — х+ — о +хо 2 2 о ~+о+о 2,04 10 6,4! ° 10 0,0622 0,339 5,37 !О 1,23 10-2 О, 049 0,010 аз 2 512'10 8,32 10 9,55 10-2 0,0566 1,574 10 1,00 10 3,767 10 5,01 10 и 1 702.10-2 2,5 10 з 0,0283 2,24 10 34 ~з 0,0332 0,0708 5,92 10-з 0,124 о,он Ат 1,69.10 0,01388 8,11.10-з Б. Льюис и Г.
Эльбе, Горение, цлаия и ззрызы з газах. Изд. ииостр. литературы, 1948. 165 Для определения состава диссоциированных продуктов сгорания следует решать совместно систему уравнений материального баланса вида (6. 28) и химического равновесия вида (6. 29) для всех веществ, которые могут образоваться при горении (см. $6 этой главы). Чем больше температура газа, тем больше доля молекул, кинетическая энергия которых достаточна для ионизации толчком. С увеличением температуры продуктов сгорания доля молекул, расщепленных на составные части, увеличивается. Кинетическая энергия соударяющихся молекул превращается в потенциальную энергию продуктов диссоциации.
Поэтому при заданной энтальпии кинетическая энергия частиц диссоциированйого газа меньше, а потенциальная больше, чем недиссоциированного. ТемпеРатура газа пропорциональна средней кинетической энергии частиц, следовательно, при заданной энтальпии температура диссоциированного газа меньше, чем недиссоциированного. При температуре, меньшей 1700' С, диссоциация продуктов сгорания Н20, СО2 и др. исчезающе мала. При температурах свыше 4000'С продукты сгорания практически полностью диссоциированы: если ввести горючее в воздух, температура которого больше 4000' С, сгорания не произойдет,— наоборот, молекулы горючего вещества, так же как и молекулы воздуха, распадутся на атомы; произойдет не выделение, а поглощение энергии. $5. РАСЧЕТ СОСТАВА ДИССОЦИИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ При диссоциации число частиц и объем продуктов сгорания возрастают, а их кажущийся молекулярный вес Р уменьшается.
Отношение молекулярного веса недиссоциированного газа Ре к молекулярному весу диссоциированного И называется фактором молекулярного изменения а: а= — '= — )~ 1. и0 А' но (б. 30) Углекислота диссоциирует на окись углерода и кислород СО, «~ СО+ — О,. 2 Парциальные давления исходных и образующихся продуктов р; связанй друг с другом уравнением химического равновесия Рсо 1г Ро, 1 Рсо, 166 При столкновении продуктов диссоциации друг с другом, если относительная скорость не слишком велика, может произойти молизация: частицы воссоединятся в целые молекулы. Число воссоединяющихся молекул тем больше,,чем чаще происходят соударения, приводящие к молизации, т.
е. чем больше молекул имеется на поверхности рассматриваемого объема и чем больше молекул на границе окружающей среды, Таким образом, степень диссоциации (т. е. отношение числа распавшихся молекул к числу нераспавшихся) при заданной температуре примерно обратно пропорциональна квадрату плотности газа. При увеличении давления степень диссоциации уменьшается.
При стремлении давления к бесконечности степень диссоциации стремится к нулю. При расчете рабочего процесса в камерах сгорания ПВРД, если температура продуктов превосходит 2000' К, необходимо учитывать диссоциацию. Диссоциация влечет за собой снижение температуры. Чем выше давление в камере, тем степень диссоциации продуктов меньше. При увеличении высоты полета давление в камере падает, степень днссоциации возрастает и снижение температуры становится более существенным. Расчет состава диссоциированных продуктов сгорания, производимый путем совместного решения уравнений равновесия и материального баланса, связан с кропотливыми вычислениями, в итоге которых определяется объемное и весовое содержание компонентов СОН СО, СН„НеО, ОН, Нь Н, 1ЧО, Мм Ом О, 1Ч. Имеющиеся в воздухе следы инертных газов и возможные примеси других элементов к горючему обычна не учитываются. Парциальное давление данной компоненты р; равно произведению общего давления р на объемное содержание г; Р'=Рг ° (6.
31) Следовательно, 1 —,+ (6. 33) Водяные пары диссоциируют на гидроксил, молекулярный водород и атомарный водород; поэтому для воды, так же как и для углекислоты, можно написать следующие уравнения: Н,О+-Н. + — О., 1 2 (6. 34) гн,У Р'о, ~~2 "н,о Н,О ~с — ОН+ — Нм 2 (б. 35) гон ~/Ргн 3 гн,о Н,~~Н+Н, (б. 36) Рн гн Уравнение материального баланса водорода для всех этих реакций о 1 1 — = но+ги + — гон+ —" ° Йво з 2 (б.
37) Азот диссоциирует на атомарные компоненты и окисляется, обРазуя окись азота Из~И+И, — Хз+ — Оз+- ИО. 1 1 2 2 1б7 Ргсо СРго гсо 4Рго, (6. 32) Р'со, 'со, где й,— константа равновесия для диссоциации углекислоты, за~вися- щая только от температуры газов. При диссоциации количество вещества должно оставаться посто- янным, но объем смеси возрастает. Если отнести объемные доли образующихся веществ к новому объему смеси, то уравнение материального баланса углерода примет вид Уравнения равновесия и уравнения материального баланса для этих реакций имеют вид 2 /г,= — н; (6. 38) гн гно й6 У "г' гн,го, (6. 39) 1 1 — ген,= "н. + ~ ('н + гно).
(6. 40) Молекулярный кислород диссоциирует на атомарные компоненты: 0,< — О+О, Р~о А=— 7 го, (6. 40 Уравнение материального баланса кислорода о г~ + "со + — гн о~ — го, + гсо, + 1 + ('со+ гон+ гон+ гно+ го). (6. 42) Фактор молекулярного изменения а должен иметь такую величину, при которой выполняется условие (6. 43) ,к=3~ рго,.
(6, 44) 1бз Таким образом, для определения объемного состава диссоциированной смеси из 1 компонентов и фактора молекулярного изменения а получено 1+1 уравнений, которые принципиально позволяют найти содержание всех компонентов смеси и фактор а. Однако совместное решение этой системы приводит к уравнению степени выше третьей, окончательное решение которого приходится находить графическим способом.
Быстрее приводит к цели следующий путь. Задаемся избытком воздуха а и элементарным составом горючего С и Н. Находим, как было указано в 9 3, объемный состав недиссоциированной смеси гсо,, гн,о, гн,, го, . Задаемся температурой Т, О 0 О О давлением р и фактором молекулярного изменения а (последнюю величину в первом приближении берем наудачу). Задаемся рядом значений объемной концентрации кислорода го,. Находим параметр хе гн ~гц гмц ц ~б Р (6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
