Московский Авиационный Институт

(Государственный технический университет)

Кафедра 204

Курсовая работа

По дисциплине: «Термодинамика энергосистем»

На тему: «Термодинамический расчет ракетного двигателя с учетом одной химической реакции»

Работу выполнила:

Студент Гр. 02-316

Бурова Мария Геннадьевна

Работу принял:

Доцент каф. 204

Меснянкин Сергей Юрьевич

Москва

2011г

Сводная таблица

результатов термодинамического расчета ракетного двигателя.

обозначение	Ед. измерения	Сечение 2-2	Сечение 3-3	Сечение 4-4
	К	298.15	2767.422
	Па			54048,3
	м3
	Моль	1
	Моль
	Моль
	Моль	0
	Моль	0
	моль
	-
	-
	-
	-
	-
	Кг
	Кг
	Кг
	Кг	0
	Кг	0
	Кг
	-
	-
	-
	-	0
	-	0
	Кг/моль
	кг/м3
	Дж/кг·К
	Дж
	Дж/К
	Дж/К
	Дж/К
	-

Теоретические сведения.

ЖРД – ракетный двигатель, который создает силу тяги за счет вытекания из его сопла газообразных продуктов сгорания топлива. Он состоит из камеры сгорания (I), сопла Лаваля (II) и турбонасосного агрегата – ТНА (III), который подает горючее и окислитель из баков (IV) и (V) к форсункам (VI).

На рисунке: сечение 2-2 - вход в камеру сгорания, 3-3 - конец камеры сгорания, 4-4 - срез сопла.

Задачей настоящей работы является термодинамический расчет ракетного двигателя в условиях термодинамического равновесия реагирующих систем в характерных сечениях двигателя, в результате которого определяется химический состав продуктов сгорания, интегральные и дифференциальные свойства системы в этих сечениях ЖДД.

Целью термодинамического расчета ракетного двигателя в общем случае является определение параметров потока: температуры, давления, скорости, термодинамических и теплофизических свойств рабочего тела и его химического состава, необходимых для определения секундного массового расхода топлива и характерных размеров камеры сгорания, сопла и других агрегатов двигателя, а также для расчета газодинамических процессов и процессов теплообмена.

Дана химическая реакция

1. Определение соотношений компонентов в топливе

Где =- ^’ и = ^’’- стихеометрические коэффициенты компонентов реакции. Для левой части уравнения (исходные вещества) они отрицательны, а для правой (продуктов реакции)- положительны

, , , ,

Задаем число молей кислорода, например моль.

Определим число молей азота, который впрыскивается через форсунку в камеру сгорания ЖРД в смеси с кислородом.

Азот не участвует в реакции, но его присутствие влияет на ход реакции . он включен в уравнение химической реакции формально, полагая, что стехиометрический коэффициент

, , моль

Где =0.8, - коэффициент избытка окислителя

Определяем число молей смеси газов исходного состава, которое впрыскивается в камеру сгорания через форсунки:

1.2 Определяем мольные доли смеси:

Проверка:

1.3 Определяем массу смеси:

1.3.1 находим молярную массу компонентов смеси:

1.3.2 находим массу каждого компонента смеси:

, кг

1.3.3 определяем массу всей смеси:

1.4 определяем массовые доли смеси газов:

Проверка:

2. Расчет параметров, характеризующих интегральные свойства системы в сечении 2-2 камеры сгорания жрд

   1. Определяем молярную массу смеси

2. Определяется объем смеси газов:

Где: - молярная газовая постоянная

-температура в сечении 2-2

Па- давление в камере сгорания, Па, Па

3. определяется плотность смеси газов:

4. определяется удельная газовая постоянная смеси газов:

5. определяем энтальпию смеси индивидуальных веществ

Где - молярная энтальпия i-го вещества

6. Определяется энтропия смеси газов:

-молярная энтропия, которая зависит от температуры и давления

Следовательно:

3. Расчет параметров, характеризующих дифференциальный свойства системы в сечении 2-2 камеры сгорания жрд

1. Определяется изобарная теплоемкость смеси газа

Где - молярная изобарная теплоемкость i-го компонента смеси, берется из таблиц справочника.

2. определяется изохорная теплоемкость смеси газов:

По уравнению Майера:

3. Определяется показатель адиабаты смеси газов

4. Определяется скорость звука

4. Расчет параметров химически реагирующей смеси газов в сечении 3-3 камеры сгорания жрд

Процесс сгорания топлива в камере сгорания ЖРД является изобарно-адиабатно-изоэнтальпийный, так как теплота извне к системе не подводится и согласно уравнению первого закону термодинамики для просто закрытой системы т.е энтальпия в сечении 3-3 камеры сгорания должна быть равной энтальпии в сечении 2-2 увеличение температуры рабочего тепла в камере сгорания двигателя происходит за счет выделения тепловой энергии при протекании химической реакции сгорания топлива. При этом задача определения температуры на выходе из камеры сгорания и химического состава продуктов сгорания сводится к расчету равновесного состояния системы в сечении 3-3 при двух фиксированных параметрах: ( ) и энтальпии .

В соответствии со вторым законом термодинамики энтропия системы будет возрастать из-за необратимого протекания процесса сгорания топлива и при достижении состояния равновесия примет экспериментальной значение, соответствующий максимуму энтропии. Таким образом, процесс сгорания в камере сгорания ЖРД соответствует переходу системы из химически неравновесного в равновесное состояние, который полностью определяется заданием двух независимых термодинамических параметров (в данном сучае p-const, -const)

Состав реагирующей смеси газов в начальный момент химической реакции определяется числами молей вещества, впрыскиваемых в камеру сгорания через форсунки , моль. Для нашей реакции:

, , моль, ,

, , ,

, , , ,

Текущее значение количеств веществ для термодинамической системы с учетом одной химической реакции определяется соотношением

Где - количество i-ой компоненты смеси в начальный момент реакции

величина пробега химической реакции, которая полностью характеризует в этом случае степень изменения состава системы при химической реакции. Она показывает на сколько сдвинулась реакция по отношению к начальному состоянию термодинамической системы.

Неизвестная величина при переходе системы в равновесное состояние определяется из условия равенства нулю сродства химической реакции А , которое при сопряжении термодинамической системы с окружающей средой Р,Т-const имеет вид:

При достигается состояние равновесие системы. При этом сводная энергия Гиббса принимает минимальное значение, а пробег химической реакции . Для системы состоящей из смеси идеальных газов

Где

Тогда А=

При отклонении от состояния равновесия если , то А<0 и если , то А>0

(рис.2)

Рис. 1 Рис.2

Реакция слева направо может идти до тех пор, пока в системе присутствуют все реагенты, имеющиеся в левой части уравнения химической реакции, т.е.

Для химической реакции, протекающей справа налево, имеем: