Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В ракетной и авиационной технике иногда пользуются теплотворной способностью топлива, отнесенной к единице объема, например, для оценки степени использования емкости баков при расчетах дальности полета. Эту величину обозначают Н ' размерность (икал/л), она связана с Н„ таким образом: Н„= Н,у. (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 нли 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 ЯР [чнн+дзлз+ +дт1[ [ч т +ч т + ° «+д т ) ~', т;М; т1М1+ т.М~ + тзМз+ .. + т;М; (1. 25) где дп д„ дт ..., д, — теплота образования элементов продуктов реакции; д', д", д"',..., о' — теплота образования исходных элемен. тов продуктов реакции; 32 Яр —— дУ+Арп, а Я,=д(У, где Я„ — тепло, подведенное к газу при постоянном давлению ЛУ вЂ” изменение внутренней энергии; Аро — работа расширения газа; ߄— 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 Я„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 к или лучше а — коэффициентом избытка окислителя. При сжигании 1 кг топлива, если а=! и сгорание полное, выделяется Н„кал/кг топл. (МДж/кг топл.). Это будет наибольшая теплопроизводительность топлива. При а( ! в топливе недостаточно окислителя и полного сгорания не будет.
Выделяющееся в этих условиях количество тепла будет меньше Н , обоь начим эту величину Н,. Отношение Н, к Н обозначается обычно ~~ и называется теоретическим коэффициентом выделения тепла Н„ На (1. 26) Теоретически при а=! должны соблюдаться равенства Н„=Н, и ~~=1; в действительности эти условия не подтверждаются я обычно при а=1 Н«ф Н„значит и ~,чь1. Большинство двигательных установок работает при и(1, и именно в этих усло- 2 4368 и,, пь и,,..., и, — число молекул продуктов реакции; т', т", т"',...т' — число молекул исходных продуктов в смеси (топлнве) до реакции; М„ М„ М,,..., М; — молекулярный вес веществ, участвующих в реакции; Яр в тепловой эффект реакции.
Естественные и синтетические горючие и окисляющие вещества, являющиеся составной частью топлива, содержат разнообразные сложные соединения. Очень часто их теплота обрааования неизвестна или не точна, и поэтому расчетное определение теплопроизводительности топлива не всегда возможно. Точное значение теплопроизводительности или теплотворной способности 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 виях возникает необходимость хотя бы приближенно определить величину Н.. Для подсчета теплопроизводительностн топлив на основе углеводородов можно пользоваться эмпирическими формулами, например: по М. М.
Масленникову Н„=Н„(1,28а — 0,28) ккал/кг топл. 1МДж/кг топл.). Более точные результаты получаются по формуле А. В. Квасникова: Н. = Ни (1,06а — 0,13). В области а>1 сгорание будет полным, но выделяющееся на 1 кг топлива тепло также будет меньше Н потому, что часть тепла топлива пойдет на нагрев избытка окислителя, находящегося в смеси. Эмпирические формулы для подсчета Н. в этой области и отсутствуют.
Энтальпия топлива Проектирование и расчет двигателя обычно начинается с термодинамического расчета. Основной целью термодинамического расчета является определение температуры камеры Т„, для чего используется значение полной энтальпии топлива /м которая определяется как сумма физической энтальпни /~ и химической энергии топлива Я, г„ /„=/,+~„„„=~, с,/т-,г~„„„.
(1. 27) Я,„,= — =Н,. Рт При простом составе топлива, когда все дополнительные члены в уравнении Я равны нулю, т. е. если (1. 29) ~~~~Я Ясубл 3." Ярвств + 1~мсн + + Я~ Я,„„=Я ч,р — Я „„„г шах. то 34 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. Я., =Яр+Я в.+ Я.. +Яр.,„+ +Яо (1 28) В большинстве случаев расчет делают для одного килограмма топлива, тогда Я эквивалентноН (МДж/кг топл.) (ккал/кг топл.) и, следовательно, Основное условие термодинамичесього расчета гласит, чыг 1„р„,р — — 1„нн, т. е. энтальпия продуктов сгорания в камере равна энтальпин топлива, Энтальпию для 1 кг топлива можно поэ; считать, если известны энтальпнн составляющих топливо компонентов, температура и относительные доли компонентов, тогда для 1 кг топлива ~гор+ ланча 1,= 1 + н.
(1. 30) Здесь 1„р — энтальпия горючего; эту величину можно взять из термодинамических таблиц для известной температуры горючего. В случае сложных горючих, например для ТРТ, энтальпию горю- чего определяют как энтальпию смеси, т. е. 1гор= У 1л ворА! гор (1. 31) Точно так же определяется и энтальпия окислителя или смеси окислителей.
Величина к 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 необходимо делать пересчет энтальпии компонентов топлива на условия подачи, т.
е. учесть подогрев. Этот пересчет, например, для горючего делается по формуле оол 1гор 1гар ннч+ ) о + 1гор нлч+ ср гор сТоол Тннч) с г1Т+А Рнал— Угар ноч (1. 32) где 1г.„н,ч — энтальпия горючего или смеси горючих для начальной температуры по термодинамическим таблицам; ср„,р — теплоемкость горючего или смеси горючих для начальной температуры; Тно„ и Тн„ вЂ” температура подогрева и начальная, К;' 1г„,„ — давление подачи горючего насосом; Уг.р — плотность горючего.
Если до подачи компонента в камеру происходит еще ряд дополнительных процессов, таких как растворение смешиваемых компонентов, испарение, сублимация или плавление, то прн подсчете конечного значения энтальпии необходимо учесть все изменения состояния, используя в этом случае такое выражение: 1к но ~ ~А!1г комн ' У~ АЯлросгв+ )» влчл субл + ~~~„АФсоловл" 11. 33) Система отсчета полных энтальпиа В термодинамическом расчете двигателя имеет значение не абсолютное значение энтальпии, а разность АТ=Тн — Та. Выбор начальных значений энтальпии не имеет принципиального значения, если онн взяты в одной и той же системе отсчета.
Численные значения полных энтальпнй топлива зависят от принятого уровня начальной температуры и начальных уровнен химических энергий компонентов. В СССР наибольшее распространение получила система расчета, предложенная А. П. Ваничевым, где за начальную температуру принимается 7„,=293,16 К, что отвечает 20' С. В США принята система ХАБА, где за начальный уровень температуры принято Т„„=0 К.
Уровни химической энергии отсчитываются одинаково в обсих 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 = Тнач = О. Уровень химической энергии для всех веществ в стандартном состоянии и при начальной температуре также принимается равным нулю, т. е.
Ю м(Нт, Хэ, ОГ х РГ ... С графит, металлы и е)=0. (1.34) Следовательно, и полная энтальпия для исходных веществ при начальной температуре будет равна нулю 7 (НГ, Хт", ОГ, РГ ..С графит, металлы и е)=0. ,'1. 35) Таким образом, при заданной начальной температуре, когда 7бл,=1,=0, для веществ, взятых в стандартном состоянии, Юхим добрах (1. 36) и при одинаковой начальной температуре полная энтальпия равна теплоте образования (1. 37) 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. Плотность топлив Одним из важнейших параметров, характеризующих состочние вещества, является плотность. Плотность представляет собой отношение массы тела к его объему. В качестве единицы плотности применяют кг/м'. От величины плотности топлива зависит емкость и масса топливных баков, трубопроводов, устройств, подающих топливо, и т. д. Чем выше плотность топлива, тем оно ценнее.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
