Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Для определения теоретического количества окислителя, требующегося для сжигания горючего, надо знать стехиометрическое уравнение химической реакции. Компоненты топлива обычно известны, а стехиометрическое уравнение реакции выясняется по химическим справочникам или таблицам. Метод количественных расчетов довольно прост и может быть легко усвоен после рассмотрения ряда примеров. Пример 1.
Горение углерода в кислороде описывается стехиометрическим уравнением С+Оэ=СОь Для определения необходимого количества окислителя, используя известные значения молекулярного веса веществ, входящих в реакцию, запишем уравнение в виде: 12 кг С+32 кг Оэ — — 44 кг СОа. Если химическим символом углерода С обозначить относительную весовую долю углерода в любом топливе, то уравнение будет записано в виде: С кг С+8/ЗС кг Оз= — С кг СО,.
Второй член левой части этого уравнения в общем виде определяет требующееся количество кислорода — окислителя для сжигания С кг углерода — горючего. Пример 2. Сжигание водорода в кислороде. Стехиометрнческое уравнение этой реакции может быть записано так: а1 Н.,+ — О,— Н,,О; б) 2Н,+0,=2Н,О. Любая из этих форм приведет к искомому ответу при использовании известных молекулярных масс веществ: 2кг Н,+ — 32 кг 0.,=-18 кг Н,О.
2 26 Из расчета на 1 кг горючего: 1 кг Н,+ — кг Ое=9 кг Н,О. 1б 2 Если количество водорода задано относительной массовой долей, обозначенной Н, то уравнение примет внд: Н кг Н,+8Н кг 0,=-9Н кг Н,О. Второй член левой части уравнения определяет количество окислителя (кг) на Н кг горючего — водорода. Пример 3. Сжигание водорода во фторе. Возможная форма стехнометрического уравнения реакции: Н,+ Р,=2НР. Тогда 2 кг Не+38 кг Рз=40 кг НР или из расчета на 1 кг горючего 1 кг Н,+ — кг Р,= — кг НР, 38 40 2 2 т.
е. для полного сжигания 1 кг водорода нужно 19 кг фтора. В случае сжигания в кислороде углеводородного горючего, например керосина состава С Н„„, количество требуюгцегося окислителя можно найти как сумму произведений стехиометрических количеств кислорода, взятых для сгорания углерода и водорода, умноженных на относительные массовые доли элементов в составе заданного горючего, т.
е. керосина. Пример 4. Обычно в керосине типа СпН содержится до86о!о углерода, 13 — 14о/о водорода и около 1е!о кислорода, растворенного в жидком горючем. Обозначив относительные массовыс доли углерода и водорода соответственно через С и Н и пользуясь результатами примеров 1 и 2, можно сразу записать теоретически требуемое количество окислителя на 1 кг горючего: О,р — — 8!ЗС,кг Оз+8Н кг Оз — Ог,р!кг Оз!кг горючего], где О,р — требуемое количество окислителя — кислорода для стехиометрнческого сжигания 1 кг горючего — керосина С„Н„; О„р — количество кислорода, растворенного в 1 кг горючего, примерно ! о!о.
П р и меч а ние. для более сложного по составу горючего метод расчета количества окислителя по сущестяу остается таким же. Усложненная форма расчета будет показана подробно и разделе твердого топлива. 27 Соотношение компонентов Во всех рассмотренных выше примерах определяли теоретическое количество окислителя на единицу массы горючего. Полученное соотношение всегда будет характерным только для заданного топлива, поэтому им удобно пользоваться для сравнения разных топлив.
Отношение массы окислителя к массе горючего при стехиометрических реакциях называют стехиометрическим соотношением компонентов (или стехиометрическим коэффициентом) и обозначают, или н,. Количественное определение и, для топлив, содержащих любое количество различных элементов, производится по формуле: ~ бг„т! ( моль окислителя ) кт, — лов л моль горючего ~ б;...т! где Ьг„и 6!,„— число грамм-атомов г-го элемента в горючем или окислителе; т! — валентность г-го элемента в составе горючего или окислителя. Необходимо учитывать знак валентности: для электроположительных элементов знак плюс (+), для электроотрицательных — минус ( — ).
Валентности основных элементов, обычно входящих в состав топлив, приведены ниже. В А! з з С Я Р 4 4 5 Х о Р С! Вг 1! К 1 1 Элемент Валентность Н 1 !ча 1 Ве 2 Мя 2 — 1 — 1 Количественное определение стехиометрического коэффициента для углеводородных горючих можно производить на основе следующих рассуждений. Пусть для окисления заданного горючего необходим окислитель сложного состава, условная формула которого (С,НьО,Хо).
Относительные массовые доли его элементов известны. В процессе реакции горения часть кислорода — окислителя пойдет на окисление собственных горючих элементов. Пользуясь рассуждениями и примерами предыдущего раздела, это количество кислорода можно определить как требуемое для окисления горючих элементов окислителя О„(,„„„= 8!ЗС,„— 8Нью 28 где С,„и Неи — относительные массовые доли углерода и водорода в окислителе. Тогда остаток кислорода в окислителе можно считать свободным и использовать его на окисление горючих элементов горючего 0„=0„„— 8!ЗС„, — 8Н„„~ " 'и'лоР'"' 1.
( кг окислителя Разделив количество кислорода, требуемого для окисления 1 кг заданного горючего, на количество свободного кислорода задан- ного окислителя, получим О,р згзСггр+ 8Нггр — Оггр ! кг окислителя ч "о (1. 14) О„О,„— 8!ЗСгх — 8Н„х ~ кг гоРючего В самом общем виде это может быть записано так: 'гаох хе =' Оо гор (1. 15) массовый расход окислителя х ги массовый расход горючего или в общем виде Очх кг окислителя 1 х— (1. 16) Ггг,р ~ кг гсрючего В практике очень часто возникает необходимость сравнить дей- ствительное и стехиометрическое соотношение между компонен- тами топлива.
Это можно сделать с помощью так называемого коэффициента избытка окислителя ох (1. 17) х=ахе х а= —. "о (1. 18) Зная величину а или изменение каких-либо показателей двига- теля в зависимости от а, можно судить о характере рабочего процесса двигателя, его экономичности, условиях эксплуатации к управлять рабочим процессом двигателя. Знаком «О» отмечается, что количества окислителя и горючего относятся к условиям стехиометрической реакции.
В реальных условиях работы двигателя стехиометрические соотношения между окислителем и горючим часто не выполнятся, и тогда действительное отношение массового расхода окислителя к массовому расходу горючего обозначается я илим: л,Т Массовый состав топлива Для двухкомпонентных жидких топлив прн заданных или известных значениях а можно рассчитать относительную массовую долю какого-либо элемента по формуле: Хц гор + и«сурок умар + «А гак Е;ггакл ! Ь 1 + (1.
19) где я„ †массов доля 1-го элемента в топливе; д„„, я,„„ †массов доли 1-го элемента в окислителе и горючем. 1+а«,=1+х — количество килограмм топлива на 1 кг горючего. Для частного случая, например, когда в топливе присутству- ют только углерод, водород, кислород и азот, обозначив относи- тельные массовые доли химическими индексами этих элементов, можно записать удобные расчетные формулы: С,= Сггиг+ «Сг, 1+« (1. 20) г1гор + «г1ок Н,= 1+« О,= Ог,р+ хО«к ~гор + «1ок Х,= 1+« (1. 21) (1. 22) Коэффициент избытка окислителя является, как видно из формулы (!.18), безразмерной величиной, очень удобной для расчетов характеристик топлива и рабочего процесса двигателя (рис.
1.2). При к=ко а=!,0. При а(1,0 етезиеметяия топливо имеет избыток горючего, Тяга и температура такие смеси топлива называют «богатыми» горючим или «обогащенными». Если гз>1,0, топливо имеет избыток окислителя, эти смеси называют «бедными» горючим или «обедненными». Ув-УУ (У -(ер рг Для расчета большинства реальных рабочих процессов величина коэффициента избытка окисРис. 1«ь измсисиис тири и '"" лителя (а) обычно задается или иературы сгорания в зависимости от коэффиииента избытка окисли.
выбирается на основании спе- таля а циальных условий эксплуатации. Используем эти формулы для примера. Определить состав топлива, состоящего из азотной кислоты (9бр Н5(О,+4% Н,О) и керосина (С=8бзю Н !3%, Ох=!74). Зная для керосин-азотно- кислотного топлива яр=5,45 из табл. ! (см. приложение) и задаваясь а=0,8, найдем »=акр=-0,8 5,45=4,3б.
Подставляя в формулы для С„О„Н, и Н, процентное содержание элементов в компонентах, запишем ~~ар "~ж 0,66+ 0,0 1+» 1+4,36 ,!3 + ,36 0,02 1+» 1+4,36 0гар т»0ак 0,01 + 4,36 0,767 1+» 1+4,36 ~кар +»акак 0,0+ 4,36.0,213 .! )74 1+х 1+ 4,36 Здесь значения Н„, Оаа„Мак взяты из предыдущих примеров. Теплопроизводительность топлива Теплотворной способностью или теплопроизводительностью простого или сложного топлива называют количество тепла, которое выделяется при сгорании единицы (килограмма, кубомет. ра или моля) топлива в атмосфере кислорода или другого окислителя.
На практике обычно используется теплотворная способность, отнесенная к весу. Различают теплопроизводительность топлива высшую и низшую. Высшей теплопроизводительностью топлива Н, называют количество тепла, выделяющееся при сгорании весовой или объемной единицы топлива при условии, что продукты реакции охлаждаются в калориметре до нормальной температуры (20' С) (293 К) Низшей теплотвориой способностью топлива Н„называют количество тепла, выделяющееся при сгорании весовой или объемной единицы топлива при условии, что пары воды, а в ряде случаев и продукты реакции вькококипящнх окислов в продуктах сгорания находятся в парообразном состоянии при температуре выше их точки конденсации. 31 Формальная связь между Н, и Н„может быть записана в таком виде: а) когда учитывается только теплота конденсации паров во- ды где [Р' — теплота парообразования 1 кг воды; т — количество водяных паров в продуктах реакции, кг; б) когда учитывается теплота конденсации паров высококипящих окислов Н„= — ̈́— ~~)' Ю',то где )г'; — теплота парообразования соответствующих окислов; т; — количество соответствующих окислов в продуктах реакции, кг.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
