Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Требования к топливу как к охлаждающему агенту приведены без предварительного рассмотрения условий. Топливо или его компонент, являющийся охлаждающей жидкостью, должны обладать: 1. Высокой удельной теплоемкостью, при этом единицей веса жидкости поглощается наибольшее количество тепла. 2. Высокой теплопроводностью. Такая жидкость способна пропускать и распределять по объему большие тепловые потоки. 3.
Значительной скрытой теплотой парообразования. При более высокой скрытой теплоте парообразования охлаждающая жидкость закипит при более высокой Т и будет способна отнять от стенок большее количество тепла. 4. Наиболее высокой температурой кипения, что обеспечивает большую надежность охлаждения без вскипания жидкости в охлаждающем тракте. 5. Высокой химической стойкостью против разложения п;ч высокой температуре в охлаждающем тракте двигателя, что обес печивает надежность охлаждения двигателя жидкостью с одинаковыми, принятыми в расчете, физическими свойствами. 6. Наименьшей возможной вязкостью, так как при высокой вязкости резко растут гидравлические сопротивления, увеличивается давление насосов, что ведет к увеличению веса турбзнасосного агрегата (ТНА).
7. Наименьшим коэффициентом поверхностного натяжения, что способствует лучшему растеканию по поверхности охлаждающей жидкости и исключает возможность образования паровых пузырей, вызывающих местные перегревы и точечные прогары стенок камеры. 1!1 группа. Требования к топливу как к веществу, находящемуся в эксплуатации вне двигателя Технические требования третьей группы предъявляют к топливу или его компонентам, находящимся вне двигателя, на складе или в баках ракеты. Эти требования определяются условиямч, транспортировки и хранения топлива, условиями взаимодейст вня с окружающей средой, с обслуживающим персоналом, с конструкционными материалами, н указывается стратегическая значимость топлива в экономике страны.
21 Топливо или его компоненты должны обладать: 1. Высокой стойкостью физико-химических свойств при хранении при изменяющихся внешних условиях — температуре и давлении окружающей среды, интенсивности освещения, вибрации и т. д. 2. Высокой химической нейтральностью по отношению к конструкционным материалам систем хранения на складе, систем питания двигателя на ракете, обеспечивающей отсутствие коррозии металла, 3. Низкой температурой застывания, что гарантирует жидкофазное состояние топлива в системах хранения, питания и транспортировки двигателя. Исключается возможность загустевания или застывания топлива в трубах и, следовательно, затруднения при запуске или остановке двигателя в условиях значительного понижения температур окружающей среды.
4. Наибольшей пожаробезопасностью в условиях эксплуатации и хранения топлива. 5. Наибольшей взрывобезопасностью, так как склонность к взрыву при воздействии различных импульсов, например механического удара, теплового или светового импульса, усложняет условия эксплуатации, требует более квалифицированного персонала и т. д. 6. Наименьшей токсичностью, в противном случае требуется специальная подготовка обслуживающего персонала, постоянный контроль за поведением и распространением компонентов в окружающей среде. Инструкция по обслуживанию токсичных топлив должна выполняться с абсолютной точностью.
Ьа. СОСТАВ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА Для термохимических расчетов рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя существенное значение имеет состав топлива, и особенно состав продуктов сгорания. По параметрам продуктов сгорания, истекающих из сопла двигателя, определяются основные показатели двигателя— удельный импульс, давление и температура газов на срезесопла и др.
По составу топлива определяются показатели рабочего процес са в камере сгорания — температура Т„, давление р„, соотношение между компонентами к и а (н — отношение массы окислителя к единице массы горючего). Расчет можно проводить на основе условной химической формулы топлива или стехиометрических уравнений. В том случае, когда состав топлива и продуктов сгорания сложен, лучше использовать условную химическую формулу. Рассмотрим конкретные примеры. 22 1.
Топливо задано химической формулой Н,,+ Р, =»2НР. Молекулярный вес элементов известен: водорода — 2, фтора — 38. Относительная массовая доля элемента в топливе определяется по формуле А;2'; А;Е; ~~А 2; Р» (1. 12) где дг — относительная массовая доля бго элемента (обозначается химическим символом заданного вещества); Л; — атомная масса 1-го элемента; Я; — число атомов (-го элемента в молекуле заданного химического вещества (топлива); р, — молекулярная масса топлива, в данном случае водорода и фтора в сумме.
Тогда А;7; 1 2 1 , А;2; !9.2 38 д,'=д, =-Н=-- ' ' = — '= —; д'.=д,. =.Е= я» 40 20 ' ои»»» 40 40 2. Топливо, сложное по составу, задается условной химической формулой АаВьСк или СаН»»Оьйа. Здесь А, В, С вЂ” элементы, из которых состоит топливо (иногда элементы обозначают их химическими символами: С вЂ” углерод, Н вЂ” водород, Π— кислород и т. д.); а, д, с — число атомов элементов. Если условная химическая формула записывается длч одного моля вещества (топлива), то ее называют м о л е к у л я рной химической ф ор м улой.
Оиа удобна для количественных расчетов. Если известен массовый состав элементов топлива (в 5), а молекулярная масса и химическая формула ие известны, то условную химическую формулу можно рассчитать по так называемой условной молекулярной массе р= 100='>'ЛД=Л,Л,+Л»Л,+АД+... +А,Л„(1. 1З) а= — т,= — 100; ~А кА »»»х Ь =- — в т» = в 100 тв тв )г= ~' т„= ~" 100. »»»К " »»», Здесь тх, тв, ..., тк — атомные массы элементов. 2З и число атомов элементов, входящих в условную химическую формулу, — по следуюшим соотношениям: Пример.
В состав керосина (С,НьО„) входит 86% углерода, 13' водорода и 1% кислорода. Полагая условно молекулярную массу керосина равной т,=!00, по принятым соотношениям найдем для углерода а= — 100 — ' 100=-7,15; Кс 0,88 мс !2 для водорода Ь= — 100= — '100=13,0; хн о,!з мн для кислорода к = — 100= †' 100=0,0625.
яо оо! то !б Тогда условная химическая формула керосина может быть записана в виде Сам(~м,оОо,овж. На практике очень широко принят способ расчета массового состава не на моль, а на 1 кг топлива или компонента топлива. Для жидких ракетных топлив, где широко применяются индивидуальные химические элементы или их простые соединения, этот способ имеет безусловные преимущества. Пример. В состав керосина входит 86,0% С и 14% Н, найдем его условную химическую формулу. Если тс !з ' ' глн то искомая условная химическая формула для керосина будет записана в виде Сю,тмНо,м. Если топливо или его компонент представляет собой механическую смесь элементарных химических веществ, относительная массовая доля любого элемента может быть найдена по формуле такого вида: й= ~' ймКм 1 где а; — относительная массовая доля ~'-го элемента в смеси топлива или его компонента; дм — относительная массовая доля !-го элемента в й-м компоненте (в смеси топлива); дк — относительная массовая доля й-го компонента в смеси.
Для проверки расчетов по этой формуле пользуются условием ~д,=1. Например, нужно найти состав (по массе) окислителя, состоящего из 96% азотной кислоты (НХОэ) и 4% воды (НтО). Молекулярную массу азотной кислоты найдем из условия Римо, = ~~' Р;К;=Р нКн+РиКм+РоКо, где рн, нм, ро — атомные массы водорода, азота н кислорода; дн, км, Ио — число атомов элемента в соединении; Римо,=1 1+14 1+16 3=63 (кг/моль). Относительные массовые доли элементов определяются соответственно: Ан2н Кн= Рнмо, АиУм Км Римо, Ао~о Ко— Римо. = — = — = 0,016; 63 63 — — — 0,222; 63 63 16 3 48 0762 63 63 25 В результате проверки получим кн+йм+до = ~~~д;=0,016+0,222+0,762=1,00. Молекулярная масса воды Рн,о ='~кр,и,.=рнпн+Ропе=1 2+16 1=18 кг/моль.
Относительные массовые доли элементов в воде: '1н~н 1. 2 2 дн= — = — — =- — = — 0,111 для водорода; 1но 18 Аорто 1б. 1 1б до = — = — = — =-0,889 для кислорода. Рн,о 'Теперь найдем массовый состав элементов в компоненте (в окнслителе 96% НХО4+4% НкО). Относительные массовые доли каждого компонента в окислителе известны: дкнмо,=0,96; гкн.о=0,04. Запишем формулу д1н=~~Р ггкйк=мнимо,дкнмо,+ кнн,оикн,о=0,016 0,96+ + О, 111 0,04 =- 0,020; Ачм=Кмнмо,нкнио,=0,222 0,96=0,213; Кко=йонио,ккнмо,+кон,о.кн,о=0,762 0,96+0,889 0,04=0,767. В результате проверки получим ен+дм+до=~а;=0 020+0,213+0,767=1,00. Теоретическое и фактическое количество окислителя в составе топлива Физико-технические свойства топлива зависят от соотношения между горючим и окислителем. В реактивных двигателях реакция между горючим и окисляющим компонентом топлива может протекать при различном их соотношении.
Обычно химическая реакция описывается специальным уравнением. Если осуществляется полное окисление углерода до СОз и водорода до НэО, считают, что реакция удовлетворяет стехиометрическому составу топлива. В этом случае уравнение химической реакции имеет наиболее простой вид, или стехиометрическую форму и очень удобно для количественных расчетов. Стехиометрический состав топлива отвечает теоретической форме уравнения химической реакции или теоретическому случаю сгорания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
