Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

Н_и'=Н_и (1.24)

Теплопроизводительность топлива, теплотворная способность или теплота сгорания являются частным случаем теплового эффекта химической реакции.

Тепловым эффектом называется количество тепла, выделяющееся или поглощающееся в процессе реакции, которая проводится при стехиометрических количествах вещества и постоянных значениях температуры и давления.

Теплопроизводительность или теплотворную способность можно рассчитать, на основании термохимического закона Гесса, как разность теплоты образования получающихся веществ и теплоты образования продуктов, вступающих в реакцию.

По закону Гесса количество тепла, выделяющегося или поглощающегося при любой химической реакции (тепловой эффект реакции), зависит только от начального и конечного состояния веществ, взятых для реакции, и не зависит от путей развития реакции. Тепловой эффект реакции, отнесенный к суммарному весу реагирующей смеси, является теплопроизводительностью

где q₁, q₂, q₃, ...., q_i - теплота образования элементов продуктов реакции;

q', q'', q''',....,qⁱ - теплота образования исходных элементов -продуктов реакции;

32

n₁, n₂, n₃,..., n_i - число молекул продуктов реакции;

т', т", т"',...,.тⁱ - число молекул исходных продуктов в смеси (топливе) до реакции;

M₁, M₂, M₃,..., M_i - молекулярный вес веществ, участвующих в реакции;

Q_p - тепловой эффект реакции.

Естественные и синтетические горючие и окисляющие вещества, являющиеся составной частью топлива, содержат разнообразные сложные соединения. Очень часто их теплота образования неизвестна или не точна, и поэтому расчетное определение теплопроизводительности топлива не всегда возможно. Точное значение теплопроизводительности или теплотворной способ-ности топлива обычно определяется опытным путем в специальных приборах - калориметрах.

Теплопроизводительность, полученная при постоянном давлении или объеме, будет иметь различное значение, согласно первому закону термодинамики, так как

где Q_p - тепло, подведенное к газу при постоянном давлении:

U - изменение внутренней энергии;

Ар - работа расширения газа;

Q_ - тепло, подведенное к газу при постоянном объеме.

Если топливный образец сжигается в калориметрической бомбе, т. е. в сосуде с неизменным объемом, то все полученное тепло есть Q_ и соответствует изменению внутренней энергии.

Теплопроизводительность топлива в теоретических и действительных условиях работы на двигателе всегда зависит от состава смеси, т. е. от соотношения между количествами окислителя и горючего. Состав смеси можно характеризовать величиной х или лучше  - коэффициентом избытка окислителя.

При сжигании 1 кг топлива, если =1 и сгорание полное, выделяется Н_и кал/кг топл. (МДж/кг топл.). Это будет наибольшая теплопроизводительность топлива. При <1 в топливе недостаточно окислителя и полного сгорания не будет. Выделяющееся в этих условиях количество тепла будет меньше Н_и, обозначим эту величину H_. Отношение H_ к Н_u обозначается обычно _t и называется теоретическим коэффициентом выделения и тепла

Теоретически при =1 должны соблюдаться равенства Н_и = Н_и _t = 1 ; в действительности эти условия не подтверждаются и обычно при =1 Н_Н_и, значит и _t1. Большинство двигательных установок работает при .<1, и именно в этих усло-

33

виях возникает необходимость хотя бы приближенно определить величину H_.

Для подсчета теплопроизводительности топлив на основе углеводородов можно пользоваться эмпирическими формулами, например: по М. М. Масленникову Н_=Н_и(1,28а — 0,28) ккал/кг топл. {МДж/кг топл. Более точные результаты получаются по формуле А. В. Квасникова:

В области >1 сгорание будет полным, но выделяющееся на 1 кг топлива тепло также будет меньше Н_и потому, что часть тепла топлива пойдет на нагрев избытка окислителя, находящегося в смеси. Эмпирические формулы для подсчета Я а в этой области  отсутствуют.

Энтальпия топлива

Проектирование и расчет двигателя обычно начинается с термодинамического расчета. Основной целью термодинамического расчета является определение температуры камеры Т_к, для чего используется значение полной энтальпии топлива I_п, которая определяется как сумма физической энтальпии I_t и химической энергии топлива Q_хим,

Физическая энтальпия рабочего тела зависит только от температуры и является энтальпией состояния.

Химическая энергия топлива определяется как разность теплот образования продуктов реакции сгорания и исходных продуктов, т. е. компонентов топлива. При точном расчете для сложных рабочих тел и топлив необходимо учитывать теплоты сублимации, испарения, растворения и др., т. е.

В большинстве случаев расчет делают Для одного килограмма топлива, тогда Q_xим эквивалентно H_u [МДж/кг топл.] (ккал/кг топл.) и, следовательно,

При простом составе топлива, когда все дополнительные члены в уравнении Q_хим равны нулю, т. е. если

т
о

34

Основное условие термодинамического расчета гласит, что I_{пр.сгор}=I_топл, т. е. энтальпия продуктов сгорания в камере равна энтальпии топлива. Энтальпию для 1 кг топлива можно подсчитать, если известны энтальпии составляющих топливо компонентов, температура и относительные доли компонентов, тогда для 1 кг топлива

Здесь I_гор - энтальпия горючего; эту величину можно взять из термодинамических таблиц для известной температуры горючего. В случае сложных горючих, например для ТРТ, энтальпию горючего определяют как энтальпию смеси, т. е.

Точно так же определяется и энтальпия окислителя или смеси окислителей. Величина  подставляется из условий термодинамического расчета.

Если условия подачи топлива в двигатель значительно отличаются от начальных условий для значений энтальпии горючего или окислителя, указанных в термодинамических таблицах (например, очень высокие давления подачи, или по пути от бака до входа в камеру компоненты значительно подогреваются), то не-обходимо делать пересчет энтальпии компонентов топлива на условия подачи, т. е. учесть подогрев. Этот пересчет, например, для горючего делается по формуле

где I_{гор.нач} - энтальпия горючего или смеси горючих для начальной температуры по термодинамическим таблицам;

c_{p гор} - теплоемкость горючего или смеси горючих для на-чальной температуры;

T_под и T_нач - температура подогрева и начальная, К;

p_под. - давление подачи горючего насосом; _гор - .плотность горючего.

Е
сли до подачи компонента в камеру происходит еще ряд дополнительных процессов, таких как растворение смешиваемых компонентов, испарение, сублимация или плавление, то при подсчете конечного значения энтальпии необходимо учесть все изменения состояния, используя в этом случае такое выражение:

35

Система отсчета полных энтальпий

В термодинамическом расчете двигателя имеет значение не абсолютное значение энтальпии, а разность I=I_к-I_a. Выбор начальных значений энтальпии не имеет принципиального значения, если они взяты в одной и той же системе отсчета.

Численные значения полных энтальпий топлива зависят от принятого уровня начальной температуры и начальных уровней химических энергий компонентов.

В СССР наибольшее распространение получила система расчета, предложенная А. П. Ваничевым, где за начальную температуру принимается T_нач=293,16К, что отвечает 20° С.

В США принята система NASA, где за начальный уровень температуры принято T_нач=0 К.

Уровни химической энергии отсчитываются одинаково в обеих системах - от уровней химических энергий таких газов, как водород, азот, кислород, фтор и др., взятых в стандартном состоянии. В соответствии с принятой системой отсчета во всех случаях энтальпия состояния для начальной температуры I_t= I_нач = 0.

Уровень химической энергии для всех веществ в стандартном
состоянии и при начальной температуре также принимается
равным нулю, т. ё.

Следовательно, и полная энтальпия для исходных веществ при начальной температуре будет равна нулю

Таким образом, при заданной начальной температуре, когда I_физ=I_t = 0, для веществ, взятых в стандартном состоянии,

и при одинаковой начальной температуре полная энтальпия равна теплоте образования

На основе этих рассуждений, опираясь на табличные данные по теплотам образования любых химических топлив или их композиций, можно найти необходимые для термодинамических расчетов значения химической энергии топлив.

При этом необходимо учитывать, что теплота образования подбирается для одного уровня температуры. Если система затрачивает тепло на образование вещества, то теплота образования по предложению А. П. Ваничева берется со знаком +.Знак -, следовательно, принимается тогда, когда система отдает тепло, как это происходит в камере сгорания двигателя.

36

Плотность топлив

Одним из важнейших параметров, характеризующих состояние вещества, является плотность.

Плотность представляет собой отношение массы тела к его объему. В качестве единицы плотности применяют кг/м³.

От величины плотности топлива зависит емкость и масса топливных баков, трубопроводов, устройств, подающих топливо, и т. д. Чем выше плотность топлива, тем оно ценнее. Плотность топлива зависит от плотностей компонентов и соотношения и.

Характеристики

Список файлов книги