Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 35

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 35)

При сгорании твердых топлив в камере горения протекает основная реакция:

При высоких температурах сгорания могут быть и другие обратимые реакции, например:

Расчеты коэффициентов (грамм-молей) продуктов сгорания в условной формуле могут быть сделаны на основе уравнений констант равновесия и материального баланса реагирующих ве-

185

ществ в этих реакциях. Надо иметь в виду, что в ряде литературных источников по термодинамическим расчетам двигателей рассматриваются реакции диссоциации основных продуктов. В этом случае константы равновесия записываются в форме обратных величин, это удобно при расчете. Такая запись не противоречит существу дела, просто используется величина, обратная константе равновесия.

Когда температура сгорания в камере не очень высока, например не выше 2000 - 2500° С, можно не учитывать диссоциацию и тогда расчеты коэффициентов (грамм-молей) в условной формуле значительно упрощаются. Ниже рассматриваются два случая расчета с учетом и без учета диссоциации.

Расчет коэффициентов без учета диссоциации. Если не учитывать диссоциацию, то состав продуктов сгорания, образующихся в ходе основной реакции горения, будет состоять из СО₂, СО, Н₂О, Н₂ и N₂ в газофазном состоянии. Количество азота в составе топлива и продуктов сгорания неизменно, если полагать, что он не вступает в реакцию в силу своей инертности. Следовательно, его коэффициент определяется как d/2 грамм-молей, если а равно числу грамм-атомов азота в составе топлива, т. е. индексу азота в топливе.

Константа равновесия этой реакции может быть записана в такой форме:

Остальные продукты в зависимости от уровня температуры сгорания будут находиться в равновесном состоянии, которое может быть описано обратимой реакцией водяного газа

Используя это уравнение и составляя уравнения материального баланса по продуктам сгорания, получим замкнутую систему уравнений для определения искомых значений коэффициентов (грамм-молей).

Уравнения материального баланса можно также записать с помощью коэффициентов, поскольку они одновременно представляют собой концентрации продуктов сгорания [39].

Основное условие материального баланса заключается в том, что количество элемента в исходном продукте - топливе должно равняться количеству элемента в продуктах соответствующей реакции.

186

Тогда систему уравнений материального баланса можно представить в таком виде:

С®СО₂ + СО

для углерода

а=х+у

Н®H₂+H₂O
для водорода

b=2z + 2n

ОСО₂ + СО+Н₂О

для кислорода

с = 2х+у+п

Дополнительным уравнением материального баланса явля­ется уравнение - тождество для азота NN₂

d=2d'=2*d/2

Д ля решения системы уравнений обычно используются значения ко-станты равновесия, известные для широких пределов температур. Эти значения констант равновесия даются в таблицах, входящих в приложения к курсам химической термодинамики или кинетики химических реакций.

Рекомендуется выбрать три значения Т_к в достаточно широких пределах так, чтобы ожидаемая температура сгорания находилась где-то в середине выбранных пределов температуры. Для выбранных значений Т_к из таблиц берут значения констант равновесия, затем, используя систему уравнений материального баланса и констант равновесия, рассчитывают концентрации и для каждой Т_к определяется значение энтальпии продуктов сгорания. Так как энтальпия топлива равна энтальпии продуктов сгорания при истинной температуре сгорания (закон сохранения энергии), то можно найти истинное значение Т_k. Для нахождения используется графическое построение зависимости энтальпии от температуры, показанное на рис. 4.11. По найденной истинной температуре сгорания значения константы равновесия выбираются из таблиц. Далее, пользуясь уравнениями материального баланса, подсчитывают окончательно истинные значения коэффициентов (грамм-молей) и определяют точный состав продуктов сгорания без учета диссоциации.

Расчет коэффициентов с учетом диссоциации. С учетом диссоциации состав продуктов сгорания значительно усложняется. Так, газообразные продукты сгорания мо-гут состоять из СО₂, СО, Н₂О, Н₂, ОН, N₂, NO, О₂, О, Н, N, т. е.

187

из одиннадцати компонентов. Доля каждого компонента зависит от температуры и давления в камере. Температура увеличивает, а давление уменьшает диссоциацию. Влияние давления мало и в практике инженерных расчетов его не учитывают с тем, чтобы не осложнять расчет.

Напомним, что соотношение продуктов диссоциации и исходных продуктов в условиях динамического равновесия зависит от температуры в камере сгорания и определяется с помощью констант равновесия, которые, в свою очередь, зависят от температуры сгорания. Используя уравнения констант равновесия, уравнения материального баланса и условие равенства энтальпии топлива и энтальпии продуктов сгорания для истинной температуры сгорания, можно составить систему уравнений. Все эле-менты этой системы для расчета удобно представить через парциальные давления, при этом можно получить одно дополнительное уравнение — сумма парциальных давлений продуктов сгорания равна давлению в камере, а оно известно. Вначале составим уравнения возможных реакций диссоциации, принимая, что конечный продукт является продуктом диссоциации:

Константы равновесия, выраженные через парциальные давления для этих реакций могут быть представлены следующими уравнениями, которые будут входить в систему расчетных:

Полученные шесть уравнений не достаточны для расчета относительных долей одиннадцати газов, и поэтому используются уравнения материального баланса, которые составляются по схеме

В объединенном виде эти уравнения представляются условной формулой топлива

188

Уравнения материального баланса для отдельных веществ в принятой системе расчета должны быть записаны с помощью парциальных давлений. Тогда в соответствии с принятой схемой материального баланса

Д ополнительно к этим уравнениям используем уравнение суммы парциальных давлений в камере сгорания

или

Д
алее методика расчета повторяется в том же порядке, как и в расчете без учета диссоциации.

1. Выбираются три значения ожидаемой температуры сгорания T'_к;Т"_к;Т'''_к.

2. Для выбранных значений Т_к из таблиц берут значения констант равновесия от K_pI до K_pVI-

3. Пользуясь системой уравнений (от 1 до 11), подсчитывают парциальные давления всех компонентов продуктов сгорания.

4. По найденным парциальным давлениям компонентов продуктов сгорания подсчитывают значения энтальпии I'_к; I''_к; I'''_к для выбранных значений T'_к;Т"_к;Т'''_к.

5. Строят график I=f(T_к) (см. 4.11), на который наносят три значения энтальпии по трем значениям температуры.

6. Подсчитывают энтальпию топлива при температуре двигателя до запуска по формуле

где значения относительных долей компонентов топлива обычно известны или соответствуют индексам а, b, с, d в условной фор-

189

муле, а значение 7, энтальпии i-го компонента берется из таблиц физико-химических констант компонентов.

7. Пользуясь условием, что энтальпия топлива равна энтальпии продуктов сгорания в камере при истинной температуре, откладываем на графике рис. 4.11 I_топл и находим Т_к истинную.

8. Для найденной T_ист весь расчет повторяют и, таким образом, определяют истинные значения концентраций компонентов, их парциальные давления и остальные параметры, необходимые для термодинамического и газодинамического расчетов двигателя.

Глава 5

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВ

5.1. ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТОПЛИВА (ВЭТ)

Стремительное развитие ракетной техники за последние 10 лет вызвало широкое развертывание работ по исследованию я поискам новых топлив с более высокими энергетическими показателями. Появление новых типов двигателей на смешанном топливе, импульсных, многоразового действия, с подводным стар-том, использующих тиксотропное топливо, и других, также ставит перед специалистами по топливу ряд новых задач и требует внедрения в практику новых видов высокоэнергетического топлива.

Ниже приведены основные группы высокоэнергетических топлив (ВЭТ).

1. Высокоэнергетические топлива на основе криогенных жидких ракетных топлив (ЖРТ). Это обычные жидкофазные топлива с высокой степенью криогенности, т. е. с очень низкими температурами кипения и застывания.

Главнейшими представителями этой группы являются жид-кие фтор и водород. Температура кипения фтора -188° С (+85 К), температура застывания -219,6° С ( + 53,4 К). Для водорода Т_кип = - 253° С (+20 К), а Т_заст = - 259° С (+14 К) [40, 59].

2. Высокоэнергетические смешанные ракетные топлива (СРТ). В эту группу входят разнофазные топлива, которые раз-деляются на две подгруппы А и Б [60] (по терминологии США - гибридные топлива). Подгруппа А имеет жидкий окислитель и твердое горючее, например, азотная кислота в качестве окислителя и графит в качестве горючего. Подгруппа Б имеет жидкое горючее и твердый окислитель, например, перхлорат аммония в качестве окислителя и гидразин - гидрат в качестве горючего.

Горючие и окислитель в гибридных СРТ могут быть сложными по составу.

3. Высокоэнергетические смешанные трехкомпонентные топлива (по терминологии США - трибридное топливо). Эти топ-лива представляют собой СРТ с добавкой жидкого водорода,

191

который выступает в качестве рабочего тела, нагреваемого за счет сгорания основного СРТ. Например, жидкий кислород - окислитель, бериллий - горючее, жидкий водород как рабочее тело [55].

Характеристики

Список файлов книги