книги из ГПНТБ / Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

в области пониженных температур, связанных с большим недостат­ ком окислителя (левая ветвь фигуры) или горючего (правая ветвь).

Это сближение обеих кривых вызывается уменьшением диссо­ циации продуктов сгорания топлива с переходом процесса сгора­ ния в область более низких температур. Резкое понижение обеих кривых в области уменьшенных а (от единицы до нуля) объясняет­ ся все большим недостатком окислителя и резко замедленным хо­ дом процесса сгорания в связи с понижением температуры.

В области а> 1 эти кривые удельного тепловыделения, а следо­ вательно, и температура процесса сгорания топлива понижаются

более круто (по сравнению с областью а<1), в связи с чем замед­ ляется и скорость процесса сгорания.

При повышении давления в камере сгорания удельное тепловы­ деление qK увеличивается в связи с уменьшением диссоциации про­ дуктов сгорания топлива.

Элементарный весовой состав 1 кг топлива при заданном коэф­ фициенте избытка окислителя а определится по формулам:

Решение.

1. Потребное количество азотной кислоты заданной весовой концентрации для сгорания 1 кг керосина:

а) теоретическое

8

б) действительное

X ~ “Хо = 0,8-5,45 = 4,36 кг)кг.

2. Элементарный состав данного топлива’будет

§7. Определение теплотворности топлива

Втеории ЖРД принято различать полное и неполное сгорание

топлива.

Полным называется такое сгорание топлива, во время которого один из его компонентов (находящийся в недостатке относительно стехиометрически потребного количества) полностью расходуется на образование продуктов сгорания, неспособных больше гореть.

Неполным называется такое сгорание топлива, во время кото­

рого один из его компонентов (находящийся в недостатке относи­ тельно стехиометрически потребного количества) расходуется ча­ стично на образование продуктов полного сгорания и частично та­ ких продуктов, которые при определенных условиях еще способны гореть.

Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании едини­ цы веса или объема топлива, приведенное к стандартным условиям, принято называть теплотворностью топлива.

Так как за единицы количества топлива приняты 1 кмоль, 1 кг

и 1 л, то принято различать молярную, весовую и объемную тепло­ творность топлива.

Поскольку топливо может иметь стехиометрический и нестехио­

метрический рабочий составы из горючего и окислителя, то также следует различать теплотворность топлива:

1) стехиометрическую (при а=1), обычно приводимую в спра­ вочной литературе, и

Принято также различать для топлива или его компонентов:

1) высшую теплотворность — количество тепла, выделившегося при сгорании единицы топлива или его компонента, без учета при стандартных условиях тепла, уходящего с парами воды, образовав­ шимися в процессе сгорания топлива;

2) низшую теплотворность — то же с учетом тепла, уходящего

с парами воды.

Высшая теплотворность не характерна для оценки топлива или его компонентов, так как практически не все выделяемое тепло при охлаждении продуктов сгорания до стандартных условий может

быть использовано в двигателе. Поэтому при тепловых расчетах процессов принимают значение низшей теплотворности топлива. Теплотворность топлива в общем случае может обусловливаться теплом, выделяющимся при сгорании горючих элементов горючего

иокислителя.

Втабл. 5. 7 приведены значения стехиометрической теплотвор­ ности некоторых горючих..

Если в горючем или окислителе содержится вода, то для ее испарения нужно затратить некоторое количество тепла, на величи­ ну которого снижается их теплотворность.

Таблица 5. 7

Теплотворность некоторых горючих при сжигании в кислороде

Теплотворности и энтальпии продуктов переработки нефти даже для погонов с одинаковым удельным весом обычно не одинаковы.

Их значения зависят от месторождения и характеристик исходной нефти, а также от ее переработки. Поэтому для практических расче­ тов часто приходится пользоваться некоторыми средними значения­ ми теплотворности и энтальпии нефтепродуктов, вычисленными в зависимости от их элементарных составов и удельных весов.

Низшая молярная стехиометрическая теплотворность при тем­ пературе 20° С может быть определена по формулам:

где 94 051 и 57 785 — низшая стехиометрическая теплотворность со­

ответственно углерода и водорода при полном сжигания их в кислороде (см. табд. 5.7)

в ккал/кмоль;

Ci, hi и с2, h2 — числа атомов соответственно углерода и водо­ рода в 1 кмоле горючего и окислителя;

0,5hi и 0,5h2— число кмолей паров воды, образующихся при полном сгорании 1 кмоля безводного горюче­ го и соответственно окислителя;

9718 — количество теплоты, затрачиваемое на испа­ рение 1 кмоля воды при давлении 1 атм

Если известны низшие рабочие весовые теплотворности горюче­ го и окислителя, то низшую рабочую весовую теплотворность топ­ лива можно определить по формуле

где Хо — весовой стехиометрический коэффициент состава топлива. При коэффициенте избытка окислителя а^-1 теплотворность

топлива равна химической энергии, определяемой по формулам:

симостей молекулярных и весовых химических энергий и теплотвор­ ностей любого заданного топлива в зависимости от коэффициента избытка окислителя а (фиг. 5. 12).

Низшая весовая стехиометрическая теплотворность топлив, при­ меняемых в современных двигателях, Ни^ 1400-4-2500 ккал/кг.

В табл. 5. 8 приведены значения низшей стехиометрической теп­ лотворности этилового и метилового спиртов при различных их кон­ центрациях в водных растворах.

Если в качестве горючего или окислителя применяются сжижен­

ные газы, т. е. жидкости, температура кипения которых ниже услов­

но принятой температуры начала реакции (обычно 15—20°С), то при определении теплотворности топлива в этом случае необходимо

учесть тепло, расходуемое на испарение этого компонента и нагрев

его до температуры t°C, пользуясь формулой

пливных баков и системы топливоподачи двигателя составляет значительную часть

веса снаряда, то при выборе компонентов топлива для проектиру­ емого двигателя снаряда за критерий калорийности топлива можно

брать его объемную теплотворность.

Пример 9. Определить низшую стехиометрическую теплотворность топлива ( а = 1), состоящего из керосина и азотной кислоты 98%-ной весовой концен­ трации, если Сг = 85,75%, Нг = 13,50% и Ог = 0,75%, На г = 10 230 ккал)кг, 7г = 0,841 «г/л и ч0(100%) = 1,520 «г/л.

Решение.

1 Условная химическая формула керосина заданного состава имеет вид

С?,15^13,4О0,05-

3. Стехиометрический коэффициент состава топлива:

4.Удельный вес топлива

5.Количество воды в 1 кмоле азотной кислоты заданной концентрации

6.Низшая молярная стехиометрическая теплотворность данного керосина

при Наг= 10 230 ккал)кг (см. табл. 5.7).

г= \>гНи г = 1 023 000 ккал!кмоль

7.Низшая молярная стехиометрическая теплотворность азотной кислоты

заданной концентрации при Qp обр = 41 660 ккал)кмоль и Qp.pacTB = = — 325 ккал!кмоль

Н^о = 94 051с2+28 892h2 - (Qp обр + раств + исп+под) =

=28 892 -1 — (41 660 + 325) = — 13 093 ккал!кмоль.

8.Низшая стехиометрическая теплотворность топлива:

=а (^г + ХДо) ~ 9718 («г + аХи«о) = 1 (1 023 000-8,4 • 13 093) -

— 9718-1-8,4-0,078 ~ 906 653,5 ккал]кмоль;

б) весовая

= 1437,7 ккал[кг;

Н'а = 7т//„ = 1,34-1437,7 = 1926,5 ккал[л.

Пример 10. Определить низшую рабочую теплотворность топлива, состоя­ щего из водного раствора этилового спирта 90%-ной концентрации и жидкого

концентрации

/7ИГ = 296 200 — 9718от,.= 296 200 — 9718-0,284 =294 440 ккал\кмоль.

5. Низшая рабочая теплотворность топлива при теплоте испарения и по­ догрева жидкого кислорода до нормальной температуры, равной Qp.исп-|_Под=

= 3100 ккал^кмоль, будет:

а) молярная

^|1Т а Г "Ь 7р.^р. о) а Г ХрФр. исп+под)

= 0,8 (293 200 — 2,8-3100) = 227 370 ккал1кмоль;

энергосодержание 1 кмоля или 1 кг горючего, окислителя и топлива (исходных веществ). Согласно закону сохранения энергии энерго­

содержание топлива до сгорания равно энергосодержанию продук­

тов полного сгорания (газов) этого топлива.

На этом основании для 1 кмоля горючего при а=1 уравнение

/г=/газ —ККОЛ/КМОЛЬ.

158 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД

Если в качестве окислителя применяется кислород, то состав топлива в общем случае выразится формулой

Cc.Hh.Oo.Nn, + Х11О2,

а энергосодержание продуктов полного сгорания этого топлива бу­ дет

Лаэ=с1/со2 + 0,5Ь17н2о + 0,5п1/м24-//р.г==/’г ккал/кмоль.

Отсюда получается формула для определения низшей стехио­

метрической теплотворности 1 кмоля горючего при применении в качестве окислителя кислорода:

Яр.г=/г — (с/со,+ 0,511/^0 Н-О.бщ/ы,) ккал/кмоль ,

где /со,, /н,о и /n,--энергосодержание соответственно углекис­ лоты, водяного пара и азота в ккал/кмоль (берется из таблицы).

Энергосодержание 1 кмоля окислителя, состав которого в общем случае выражается условной химической формулой

CcjHhjOojNn,, можно определить по уравнению

рода, водорода, кислорода и азота в ккал/кмоль (берется ив таблицы).

Поскольку в некоторых компонентах топлива (азотной кислоте,

спиртах, перекиси водорода) обычно содержится некоторое количе­ ство воды, то при вычислении их энергосодержания необходимо учитывать выделяющуюся теплоту при растворении воды в данном компоненте топлива (см. табл. 5. 9), уменьшив на ее величину энер­

госодержание этого компонента без воды. Энергосодержание воды обычно учитывается отдельно.

Содержание воды в азотной кислоте зависит от ее сорта и мо­ жет доходить до 4% по весу.

Энергосодержание горючего или окислителя, состоящего из не­ скольких компонентов, можно определить по формуле