Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Как видно, к топливам и их компонентам предъявляются многочисленные и разнообразные требования. Создать такие компоне ~ты, которые бы удовлегворяли одновременно всем требованиям, в настоящее время еще ие удалось, хотя с этой целью многие авторы проводили анализ почти всех элементов периодической системы Мен- 167 делеева и значительного числа нх соединений, с точки зрения возможности использования в качестве горючих или окислителей ЖРД. В современных ЖРД применяются исключительно кислородные окислители в комбинации с углеводородными и отчасти азотоводородными горючими. В качестве кислородных окислителей, кроме жидкого кислорода, применяются жидкие при нормальной температуре вещества, в которых кислород связан посредством азота, а иногда также тюсредством водорода и углерода.
Под углеводородными горючими мы будем понимать ие только вещества, состоящие исключительно нз С н Н, но и такие вещества, в которые входят относительно небольшие коли1чества других 'эле.ментов (в основном Н н О). Аналогичное значение имеет и название «азотоводородное горючее». Таким образом, в топлива современных ЖРД входят практически только четыре элемента: водород Н, углерод С, кислород О и азот И.
В будущем можно ожидать применения в качестве окислителя фтора или его кислородного соединения — моноокисн фтора ОРь Тогда необходимо будет учесть и наличие в топливе пятого элемента — фтора Р и наличие окислителя, состоящего из двух окисляющих элементов. й 26. ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРЮЧЕГО, . ОКИСЛИТЕЛЯ И ТОПЛИВА Для расчета рабочето процесса жидкостного ракетного двигателя,необходимо знать ряд величин, характеризующих топливо, поступающее в двигатель. К этикам величинам относятся весовой состав топлива и запас химической и тепловой энергии его — так называемые термохимические характериотими.
Термохимические характеристики топлива в свою очередь определяются термохн~мическими характеристиками горючего и окислителя, поэтому расчет терыохииических характеристики топлива надо начинать с расчета этих величин для горючего и оквслителя. Весовой состав горючего и окислителя Состав горючего и окислителя мы будем определять в весовых долях данного элемента. Обозначим через и; — весовую долю ~-того элемента в горючем или окислителе. Для конкретного элемента весовые доли будут обозначаться символом этого элемента с индексом, указываюгцим, в каком именно компоненте определяется содержание этого элемента; поэтому, например, Н„ и Н, представляют собой соответственно весовую долю водорода в горючем и окислителе.
Следует отметить, что сумма весовых долей по всем элементам, имеющимся в компоненте, равна единице (Ч. 3) Это соотношение следует использовать при проверке расчетов. 168 При определении весового состава горючего и окислителя нужно различать два случая. Если горючее или окислитель являются индивидуальным химическим веществом, то для расчета весовых долей соответствующих элементов в данном соединении используется формула Аглг Аглг вг= (Ч. 4у Х Аиг вг= ~' лог»К» (Ч. 5) где яг — весовая доля 1-того элемента в горючем или окислителе; ໠— весовая доля Й-того компонента (нндивидуального химического вещества) в горючем или окислителе; дц,— весовая доля 1-того элемента в Й-том компоненте; она рассчитывается по формуле (Ч.
4). Пример 1. Рассчитать элементарный состав горючего, состоящего иэ 60% триметиламина (СН»)эЫ и 407с ксилидина (СНэ)»СэНэМНм Решение: По формуле (т7.4) находим весовой состав триметиламнна и ксилидина. Для триметиламина р=Х Ага! = 12 Х 3+1 х 9+14 х 1 =59.
По формуле Я.4) весовые доли С, Н и М трмметиламина соответственно равны 12 и 3 С = — = 0,610; 59 9х1 Н = = 0,153; 59 14 х 1 Х = = 0,237. . 59 где йг — весовая доля 1-того элемента; А; — атомный вес 1-того элемента; гг — число атомов 1-того элемента в молекуле индивидуального химического вещества; (» = ~,'Агяг — молекулярный вес дан~ного соединения.
Если данное горючее или окислите(вь представляют собой смесь различных индивидуальных химических веществ, то их элементарный весовой состав может быть вычислен или по условной химической формуле, приводимой иногда для многокомпонентных смесей, состоящих из большого числа индивидуальных веществ (наприааер„ керосин), по уже приведенному соотношению (Ч. 4) или по весовой дсо1е данною индивидуального вещества, входящего в состав .горючего или окислителя. В последнем случае расчет ведется по формуле Для ксилидина р. = ХА!яг = 12 Х 8+ 1 Х 11+ 14 Х 1 = 121. По формуле (Ч. 4) определяем весовые доли элементов в ксилидине 12 х 8 1 х 11 С = — = 0,793; Н =" — 0,091; 121 ' ' 121 14Х! 1! — = 0,116.
121 Зная весовые доли элементов каждого нэ составляющих компонентов и зная долю каждого компонента яа, находим по формуле (У. 5) Сг = 0 6 ' 0 61+0 4 ' 0 793 = 0 683' Н, =0,6 ° О,!53+0,4 ° 0,091=0,!28; Хг = 0 6 ' 0 237+0 4 ' 0.116 = 0 189 Проверка. Проверку проводим по формуле (Ч. 3). В применении к нашему горючему зва формула имеет вид С„+ Н„+ Ыг = !.
После подстановки Хя, = 0,683+0,!28+0,189-1,ООО. Состав горючего определен правильно. Пример 2. Рассчитать элементарный состав окислителя чистой моноокиси фтора Орь Решение: Молекулярный вес моноокиси фтора и =ХА!я!=16 1+19 2= 54. ! Весовые доли О, и Г. по формуле (Ч. 4) составят 1б 1 19 2 Оо= =0 295; Ро= =0 705 54 ' ' 54 Проверку делаем по формуле (Ч.б) Х я! = Оо+ Ро = 0 295+0 705 = 1 000. Состав окислителя определен правильно.
В некоторых горючих и окислителях возможно присутствие в качестве балласта каких-либо дополнительных веществ, чаще всего воды (например, вода добавляется в азотную кислоту, перекись водорода или спирт). Для всех последующих расчетов целесообразно сразу учитывать элементы, входящие в балласт, внося их в весовые доли соответствующих компонентов. При обычных расчетах незначительным содержанием в топливе каких-либо элементов, кроме основных (например, железом или серой в различных азотно- кислотных окислителях, медью в горючем для двигателя на основе перекиси водорода и т. д.), пренебрегают.
170 Пример 3. Рассчитать весовой состав окислителя, в который входит 96е/е НХОа и 47р воды, Решение: Определяем весовой состав Н(чОа по формуле (Ч.4» инно, = ХАр~=1 1+14 1+16 3 =63. 1 Н = — =0,016; 63 16 3 О = — = 0,762; 63 14 1 (ч = = 0,222. 63 Определяем весовой состав воды по формуле (Ч. 4» рно=ХА а~=1 2+16 1=18; 2 Н = — = 0,111; 18.
16 О = — =- 0,889. 18 Определяем весовой состав окислителя по формуле (Ч.5» Н.=0,96 ° 0,016+0,04 0,11=0020; О. = 0,96 ° 0,762+0.04 ° 0,889 = 0,767; Х.=0,96 0,222=0,213. Проверка, формула (Ч. 3» для проверки в применении к данному окислителю имеет вид Н..( О,+(ч,=0,020+0,767+0,213=1,000. Состав окислителя определен правильно. Теоретически необходимое количество окислителя По известному весовому составу горючего н окислителя можно вычислить наименьшее количество окисльтгеля, необходимое для полного окисления одного килограмма горючего. Эта величина называется теоретически необходимым количеством окислителя и обо 6 значается»..
Для освоения методики расчета этой величины рассмот$ рим реакции полного окисления горючих элементов. Реакция полного окисления углерода имеет ~вид С+ Оа=СОя. (Ч. 6) Запишем теперь количественные соотношения, определяющие данную реакцию. Непосредственно из записи реакции можно установить, что для окисления 1 кг-атома углерода в,продукт полного сгорания — углекислый газ СОя — необходимо затратить 1 кг-моль кислорода. 1 кг-атом С+1 кг-моль Оя=» кг-моль СОа. 171 Рассчитаем теперь весовые соотношения между элементами, если в реакцию вступает не 12 кг углерода, а 1 кг. Для этого мы должны разделить уравнение (Ч.
7) на 12. В результате получим 1 кг С+ — кг О,= — кг СО,. 3 11 3 3 (Ч. 8) Тан как,в горючем находится не один килограмм углерода, а С„кг его, то для 1 кг горючего уравнение сгорания углерода примет вид (Ч. 9)' С, кг С+ — С„кг Оь=,— С, кг СОь а Следовательно, на сгорание С, килограмм углерода, 'находящего- в ся в 1 кг горючего, потребуется — С, килограмм кислорода. Аналогично можно записать и реакцию полного окисления другого топливного элемента — водорода (Ч. 10) 2Нз+ О = 2НзО' 2 кг-моля На+1 кг-моль Оь 2 кг-мола НьО; 4 кг Н,+32 кг 0,=36 кг Н,О; 1 кг Н,+ 8 кг О,= 9 кг Н,О; Н„кг Н,+ 8 Н„кг О, 9 Н, кг Н,О. Отсюда следует, что для полного окисления Н, квлопраммов водорода необходимо 8 Н, килограммов кислорода.
При подсчете количества кислорода, необходимого для полного окисления 1 кг горючего, состоящего из углерода, водорода, азота и кислорода, следует учесть также кислород, входящий в само горючее, и иметь в виду, что азот вовсе не вступает в реакцию окисления. Тогда к 1 кг горючего из окислителя необходиио подвести следующее количество килограммов кислорода: — С„+8Н,— О,. (Ч. 11) Подсчитаем теперь количество кислорода в окислителе, которое может быть использовано для сжигания горючего. Дл~я обпьностм учтем в составе окислителя, кроме кислорода, также водород, азот и углерод, что очень часто имеет место в действительности.
Количество кислорода в 1 кг окислителя определяется весовой долей О, кислорода в окнслвтеле, но из нее надо вычесть кислород, 172 Переходя к весовым единицам и учитывая, что 1 кг-атом углерода С весит 12 кг, а кг-моль кислорода Ог 32 кг, получим 12 кг С+32 кг 0,=44 кг СОь (Ч. 7). потребный для окисления водорода и углерода, входящего в окислитель. Это количество кислорода определяется так же, как гн кислород, необходимый дланя окисления углерода и водорода горючего.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
