Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 9

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

Текст из файла (страница 9)

Механизм термической диссоциации * кратко можно пояснить так. С повышением температуры в результате увеличения внутренней энергии молекул (вращательной, колебательной) и возбуждения электронов колебательные движения атомов в некоторых из них развиваются настолько интенсивно, что энергия этих колебаний оказывается достаточной для преодоления действующих между атомами сил притяжения. Двухатомная молекула распадается на атомы, трехили многоатомная — на более простые молекулы и атомы. Процесс диссоциации требует затраты части энергии, выделяющейся при химических реакциях, и уменьшает температуру рабочего тела.

Процессу разрушения молекул соответствует обратный процесс рекомбинации (воссоединения) атомов и осколков молекул в молекулы. К воссоединению молекул приводят лишь эффективные столкновения, в которых участвуют соответствующие осколки молекул с достаточной энергией. Процесс рекомбинации определенных молекул сопровождается выделением того же количества теплоты, которое было поглощено при их диссоциации. Реакции термической диссоциации и рекомбинации — реакции обратимые, т. е.

идут одновременно в двух направлениях. В определенных условиях в газовой смеси может установиться состояние динамическоро равновесия. Оно установится не вследствие прекращения диссоциации и рекомбинации, а в результате протекания этих реакций одновременно с одинаковой скоростью. Химический состав рабочего тела, соответствующий этому состоянию, называют химически равновесным.

Важнейшими факторами, определяющими состав и свойства продуктов сгорания в состоянии химического равновесия, являются температура и давление. Повышение температуры рабочего тела увеличивает интенсивность диссоциации. Влияние температуры неодинаково для различных молекул. На- рис. 4.1 приведена зависимость степени диссоциации ад (отношение числа молей, подвергшихся диссоциации, к исходному числу молей) от температуры для ряда молекул.

Как видно, устойчивость молекул против диссоциации весьма различна. Увеличение давления согласно известному принципу смещения равновесия вызывает в системе процессы, способствующие относительному снижению давления. Это процессы, ведущие к сни- ' В дальнейшем для краткости слово ттермическая» опущено 41 гч 4.2. Зависимость степени диссоциации некоторых молекул от давлении (Т = = 3000 К) ла 4.(.

Зависимость степени диссоциации некоторых молекул от температуры (р =- 10 МПа) д д Гади 4РИ т К д а жению числа молекул в смеси, т. е. процессы рекомбинации. Следовательно, повышение 'давления уменьшает интенсивность диссоциации, т. е. оказывает на нее влияние, противоположное влиянию температуры. На рис. 4.2 показана зависимость степени диссоциации от давления для различных веществ. Некоторые из обратимых реакций протекают без изменения числа молекул, в них участвующих. Равновесие таких реакций не зависит от давления. Результатом сильного возбуждения электронов при высокой температуре может быть отрыв электрона и превращение атома (или молекулы), потерявшего электрон, в положительно заряженный ион.

Однако ионизация продуктов сгорания ракетных топлив обычно ничтожна, и ее влияние учитывают лишь при расчете электрофизических свойств продуктов сгорания. Равновесный химический состав продуктов сгорания характеризуют числами молей веществ, составляющих смесь, ле или парциальными давлениями (для идеальных газов) ре. Используют и относительные величины: мольные и массовые доли. Если топливо состоит из лт химических элементов, в продуктах реакций могут присутствовать лт атомарных и ( молекулярных индивидуальных веществ (компонентов), т. е.

всего! + лт веществ. В число ( следует включать все вещества, состоящие из тп химических элементов, для которых имеется необходимая информация о термодинамических функциях в нужном диапазоне изменения температуры и которые могут присутствовать при этом в заметном количестве в продуктах сгорания. Некоторые из индивидуальных веществ могут находиться как в газообразном, так и в конденсированном состояниях. Для реальных потоков в агрегатах двигателя достаточной общностью обладает модель многоскоростной и многотемпературной среды со взаимопроникающим движением отдельных составляющих среды и обменом массой, импульсом и энергией между ними.

В зависимости от особенностей решаемой задачи могут быть 42 выделены различные составляющие среды, каждая со своими значениями параметров. Так, при исследовании двухфазных течений в соплах с известной массовой долей конденсата в потоке в качестве составляющих двухфазной среды обычно рассматривают газовую фазу в целом и частицы различных размеров. В этом случае для каждой точки среды можно определить температуру газа и различные (в зависимости от размера) температуры частиц, а также соответствующие им скорости газа и частиц. Модель рабочего тела, в котором сохраняется химическое и фазовое равновесие при движении, а температура и скорость газовой и конденсированной фаз при этом остаются одинаковыми, наиболее широко используется в термодинамическом расчете.

Расчет химического равновесия производят обычно при некоторых упрощающих допущениях относительно свойств продуктов сгорания. Их необходимость вызвана требованиями достаточной простоты расчетов н современным уровнем знаний о процессах, происходящих при высоких температурах. Ниже приводятся основные допущения, в большинстве случаев обеспечивающие достаточно строгое описание свойств веществ и смесей при высокой температуре. Для гомогенной и гетерогенной смесей принимают, что они состоят из индивидуальных веществ в идеальном состоянии.

Их термодинамические функции: энтальпия (ю стандартная энтропия Я' и, следовательно, теплоемкости — не зависят от давления. К отдельным газам, в том числе и к ионам, электронному газу, а также к смеси в целом применимо уравнение состояния идеального газа. Поскольку экспериментальные данные по смешению и растворимости конденсированных веществ при высокой температуре практически отсутствуют, обычно принимают, что различные конденсированные вещества не образуют между собой и с газовой фазой растворов. Иногда принимают и другие модели растворимости, например, считают, что конденсированные вещества образуют идеальный раствор (изменение энтальпии при смешении равно нулю). Давлением броуновского движения частиц конденсированного вещества в гетерогенной смеси пренебрегают.

Важным уравнением, устанавливающим связь между основными термодинамическими параметрами рабочего тела, является уравнение состояния. Для продуктов сгорания ракетных топлив обычно применяют уравнение состояния идеального газа. При известном массовом содержании различных конденсированных веществ в смеси и<'1 объем, занимаемый фазой при отсутствии растворимости конденсата, составляет У, = ~ т)*'/р о где р„,— плотность вещества конденсированной фазы. Используя понятие массовых долей г, = т<о/т, можно определить отношение объема конденсированной фазы к общему объему смеси у,/у = р У еч .4в~ Ры 43 где р — плотность.

В большинстве случаев (при а = 0,2 ... 0,3) отношение У,/У весьма мало ( 10 '), поэтому объемом конденсированных веществ в смеси часто пренебрегают. Уравнение состояния для гетерогенной смеси записывают в таком же виде, что н для гомогенной: и = рй,77)4, (4.1) где Р, = 8314,7 кДж/кмоль — универсальная газовая постоянная; н — молекулярная масса смеси, н = )4„/(1 — г). 4.3.

МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ В камере ракетного двигателя, работающего на химическом топливе, происходят процессы горения топлива (участок й — с на схеме рис. 4.3) и преобразования теплоты в кинетическую энергию потока продуктов сгорания (участок с — а), Расчет горения состоИт в определении параметров продуктов сгорания в конечном сечении камеры сгорания. Обычно принимают, что эти продукты в камере сгорания можно рассматривать как равновесную смесь, полученную после завершения необратимого процесса горения. Газовая фаза смеси подчиняется уравнению состояния идеального газа.

Принимают, что процесс горения протекает полно, адиабатно (без обмена теплотой с окружающей средой), обычно при постоянном давлении. Если за процессом горения следует процесс течения, то конечные параметры первого процесса являются исходнымн для расчета второго. Давление торможения на входе в сопло есть давление, при котором осуществлен идеальный процесс гоРения. Расчет течения состоит в определении параметров в различных сечениях сопла. Для газовой фазы продуктов сгорания считают справедливым уравнение состояния идеального газа, процесс полагают стационарным и адиабатным, принимают однородность состава и параметров смеси по сечению и одномерность потока в рассматриваемом сечении. Предполагается отсутствие необратимых явлений: трения, различных видов неравновесности. Для гетерогенных продуктов сгорания это означает, в частности, равенство скоростей и температур газовой и конденсированной фаз.

Пренебрежение необратимыми явлениями при протекании процессов накладывает ограничения на свойства рабочего тела. Это предполагает отсутствие вязкости и теплопроводности у' ра-' бочего тела, равновесность либо неизменность химического и фазового состава и др.

Как видно, идеальный процесс течения является термодинамическим процессом расширения, в ходе кото. рого энтропия остается постоянной: з = сопз1. (4.2) Значение константы в уравнении (4.2) определяется в результате расчета параметров процесса горения и равно д„— энтропии продуктов сгорания для входного сечения сопла, 44 4,З, Сиама камеры ракетваго авига- и тела ! Возможны различные модели протекания изоэитропий- ! ! ного процесса течения в сопле. !.

Равновесное течение, характеризуемое существованием в каждой точке потока энерге- ° ~ кн с тнческого, химического н фазового равновесия продуктов сго- 1 ранил. 2. Химически замороженное течение — течение с неизменным химическим, составом продуктов сгорания. Такое течение может иметь место, если время пребывания газа в сопле существенно меньше времени, необходимого для протекания химических реакций.

Характеристики

Список файлов домашнего задания