2.6 Преобразование тепловой энергии продуктов сгорания в механическую работу.

Для совершения полезной работы должно происходить расширение газа, в данном случае продуктов сгорания. В тепловых двигателях расширение происходит в их рабочих органах: в соплах, сопловых аппаратах, рабочих цилиндрах, на лопатках турбин и т.д. Учитывая скоротечность реакции горения по сравнению с длительностью процессов расширения, принимаем, что зона химических реакций ограничена камерой сгорания, а при расширении изменяются только теплофизические параметры газовой смеси, т.е. за пределами камеры сгорания I_хим = const. Причем само расширение газа происходит при постоянной энтропии - ( изоэнтропно). Совершаемая при этом единицей массы рабочего тела работа, определится разностью энергосодержаний газовых смесей после и до процесса расширения. Это положение следует из первого закона термодинамики:

∑L _i=∆I =Q_р.

∑L_i – суммарная работа, совершаемая при расширении рабочего тела.

Полное энергосодержание потоков газа характеризуется энтальпией торможения, учитывающей кинетическую энергию его движения. термохимических превращений, определяемых как горение топлива.

Горение топлива – это быстрая реакция окисления, в ходе которой его химическая энергия превращается в основном в тепловую, а само топливо – главным образом в газообразные продукты. ВРД, предназначены для работы в атмосфере Земли и поэтому в качестве окислителя используют кислород, содержащийся в атмосферном воздухе. Наиболее распространенными на Земле горючими элементами являются водород и углерод, причем как в виде индивидуальных веществ, так и в виде весьма разнообразных совместных химических соединений.

Количество кислорода, теоретически необходимое для полного окисления горючих элементов, можно определить по уравнениям реакций окисления. Так, для углерода и водорода:

уравнения реакций C+O₂ → CO₂, H₂ + 0,5 О₂ → Н2О;

молекулярные массы 12,01+32 →44,01 2,16 + 0,5(32) →18,16

Для первой реакции на 1 кг углерода идет 32: 12,01 =2,66 кг кислорода, а для второй на 1 кг водорода – 16 : 2,016 =7,94 кг кислорода, что примерно в три раза больше.

Количественные соотношения, в которых вещества реагируют друг с другом без остатка, называются стехиометрическими. Они характеризуются стехиометрическим коэффициентом = ( кг окислителя) / (кг горючего). При таком отношении реагирующих веществ полностью взаимно удовлетворяются их свободные валентности, и образуется устойчивое химическое соединение, например вода или углекислый газ.

Чтобы определить, количество кислорода потребное для полного сгорания 1 кг топлива сложного состава, нужно знать его элементный состав, т. е. содержание в нем горючих элементов ([С], [Н] и т. д.), а также кислорода [О], если он содержится в горючем веществе:

.

Например, для сгорания 1 кг углеводородного реактивного топлива, состоящего из 0,86 кг углерода и 0,14 кг водорода, необходимо кислорода

кг.

В воздушно-реактивных и поршневых двигателях для сжигания топлива используется атмосферный воздух, 1 кг которого содержит 0.231 кг кислорода. Следовательно, потребное количество воздуха (lо) для полного сгорания 1 кг топлива

кг

Чем больше водорода в углеводородном топливе, тем больше кислорода нужно для полного сгорания топлива и тем меньшим будет плотность продуктов сгорании.

Реальный состав горючей смеси в двигателях обычно отличается от стехиометрического. Его принято выражать коэффициентом избытка воздуха , представляющим собой отношение действительной массы воздуха в смеси к стехиометрической:

где l – действительное количество воздуха, приходящееся на 1 кг топлива.

При (стехиометрическая смесь) обеспечивается полное сгорание топлива без остатка избыточного окислителя. При (бедная смесь) после полного окисления горючего остается избыток окислителя. При (богатая смесь) из-за недостатка окислителя происходит неполное сгорание топлива. В реальных процессах горения топлив для достижения наибольшего энерговыделения, или для получения приемлемой температуры продуктов сгорания довольно часто задается значение , отличное от единицы.

Эффективность горения определяется рядом показателей:

- теплотой сгорания топлив;

- температурой продуктов сгорания;

- молекулярным весом и составом продуктов сгорания;

- теплоемкостью продуктов сгорания и показателем адиабаты;

- скоростью и полнотой сгорания;

- коррозионной активностью продуктов сгорания

Теплота сгорания топлив – это количество тепловой энергии, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива. Единицей теплоты сгорания является килоджоуль на килограмм (кДж/кг).

Теплота сгорания топлива зависит от его химического состава, т. е. от элементного состава и от прочности связей в молекулах топлива и продуктов окисления.

Из элементов, входящих в состав углеводородного топлива, наибольшей теплотой сгорания обладает водород – 143000 кДж/кг, теплота сгорания углерода – 32500 кДж/кг. Углеводородные топлива занимают соответственно промежуточные по теплоте сгорания значения, причем, чем больше водорода содержится в топливе, тем выше теплота его сгорания.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания называют все тепло, выделяющееся при сгорании 1 кг топлива. На практике часть продуктов сгорания, например вода, покидает двигатель в газообразном состоянии и достигает стандартной температуры уже вне его. В этом случае часть тепловой энергии выделяющееся при конденсации паров воды из продуктов сгорания не участвует в полезной работе, что учитывается значением низшей теплоты сгорания. При прочих равных условиях большее значение теплоты сгорания обеспечивает большую дальность полета ВС.

Для оценки качества преобразования теплоты сгорания в полезную работу удобно воспользоваться произведением R₂T₂, как мерой работоспособности продуктов сгорания.