142 Гл. 5., Характеристики топлив ЖРД
откуда
|
Хо = /— кг’кг, |
(5.20) |
|
1г |
|
где |
и Yo — удельные веса соответственно горючего и |
окислите |
|
ля в кг/л. |
|
Таблица 5.3
Потребное число атомов кислорода для сгорания горючих элементов топлива и получаемое при этом число молей продуктов сгорания
Уравнения сгорания горючих элементов топлива
C-j-O2=CO2
Н2 + 0,БО2=Н2О
Азот не горит
Всего теоретически тре буется кислорода и обра зуется продуктов сгора ния топлива
Потребное число атомов |
Получаемое число молей |
кислорода для полного |
продуктов полного сго |
сгорания горючих эле |
рания 1 моля горючего |
ментов топлива |
моля)моль |
2 (с 1 + Х|хс2) |
jWCO2= Cl+'ZpC2 |
0,5 (h14-/.(xh2) |
|
Кислорода не требуется |
jMN2=nl+Xp.n2 |
2 (С1+'хис2) + |
Л!г=Л1СО2-|-Л1Н2О + MNj=- |
+ 0,5 (hi+7^2)= |
=Ci+0,5 h]-)-ni-|- |
=ol+'Z(i°2 |
+7.|i (c2-|-0,5 h2+0,5 n2) |
При заданных весовых концентрациях горючего ог% и окисли теля оо% в водных растворах состав топлива в общем виде выра
зится следующей условной химической формулой: |
|
Cc1Hh|Oo1Nn1/nrH20 + z|i(CcIHh2Oo2Nn/«0H20), |
(5.21) |
где mr и то — числа молей воды в I моле соответствено |
горючего |
и окислителя, определяемые по приведенным выше
формулам, в моль/моль.
При этом весовой и объемный стехиометрические коэффициенты
состава топлива определяются по формулам:
100
и |
|
Х«-Х^=Хи ~(5-22> |
|
(Л 100 р.га0 |
|
Нт----- |
|
°г |
|
Х>Хи—— л!л. |
(5.23) |
Рт^о 7о |
|
Можно написать формулы для определения коэффициентов Хр-
и /о применительно к конкретным топливам, например:
§4. Определение количества окислителя для полного сгорания горючего 143
1)для сложного горючего и водного раствора азотной кислоты
различной весовой концентрации
|
|
Cc,HhlOO1Nn, |
(HNO3moH2O); |
|
|||
7.^ |
2c1+0,5h1—О] |
. |
v |
63 + 18m0 |
, |
||
Г п |
---- |
моля/моль-, |
х0 = хр- |
,, |
_ °, |
кг^кг; |
|
|
3 — 0, |
h2 |
|
|
12cj |
-J- hj -J- loOj |
|
2)для сложного горючего и кислорода
Cc,Hh,Oo,Nn, 4-^р.о2;
Xp.=c14-0,25h1 —0,5-Oj моля1моль-,
|
|
32 |
|
|
|
|
|
Хо —Хр------ ----------------------- ■ кг/кг-, |
|
|
|||
|
0 |
12С] + h! + |
16-01 + 14п! |
|
|
|
3) |
для горючего и раствора озона в кислороде |
|
|
|||
|
2ci 4- 0,5h 1 —- О) |
Сс.Нь.Оо,+ Хр(о2-тоОз); |
|
|
|
|
Хр- |
М0ЛЯ1 моль; |
32 + 48ото |
кг[кг. |
|||
2 + 3/ио |
Хо = Хи -77—— |
|||||
|
|
12сJ |
—f- h] |
16*01 |
|
|
Если топливо задано в виде элементарных |
составов |
горючего |
||||
и окислителя, то весовой стехиометрический коэффициент состава топлива определится по таким формулам.
1. В случае использования окислителя, состоящего из чистого
кислорода: |
|
|
|
|
X |
= —СГ4-8НГ — Ог кг1кг, |
|||
° |
з |
г |
г |
г |
где Сг, Нг и Ог—элементы горючего в кг/кг.
2. В случае использования окислителя, в состав которого также входят горючие элементы:
8 „ 3 Сг + 8НГ — Ог
Хо =----------- --------------------------- кг)кг.
Оо — ( О0 т 8Н0^
В этом случае молярный стехиометрический коэффициент соста ва топлива определится из предыдущей формулы:
Р*о^г |
Ртао |
кмолякмоль, |
Хо —Хр------» т-Хр-^Хо^^ |
Р*о°г |
|
Иг°о |
|
В табл. 5. 4—5. 6 приведены значения весовых и объемных сте хиометрических коэффициентов состава наиболее широко исполь зуемых топлив.
Пример 4. Определить у^, у0 и у0 топлива, состоящего из керосина состава С?,15 1413.5 и азотной кислоты 1;6%-ной весовой концентрации, если уг=0,84 кг)л,
То = 1,5 кг)л и ш0 — 0,184 кмоля/кмоль.
144 |
|
Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД |
||||
Решение. |
|
данного топлива |
будут: |
|||
Коэффициенты состава |
||||||
а) |
Sc + O.Shj-O! |
2-7,15 + 5-13,5-0 |
||||
7.и = ---------- |
---- -—q |
кмоля/кмоль; |
||||
|
02 — O,5h2 |
|
|
|
|
|
б) |
весовой |
|
|
|
63-18-0,181 |
|
|
= |
Но + 18т0 |
|
|||
|
ь-Ур. 12ci + hi + 16oi |
= 8,16----------------—- = 5,512 кг кг; |
||||
|
|
|
|
|
12-7,15+13,5 |
|
в) |
объемный |
|
|
|
|
|
|
|
Уо = Хо — = 5,512 |
= 3,081 л!л. |
|||
Пример 5. |
|
То |
|
1,5 |
||
Определить |
теоретический |
расход тетранитрометана C(NO2)4 |
||||
для полного сгорания 1 кмоля и |
1кг керосина следующего состава: Сг = 86,4% |
|||||
и Нг= 13,6 %. |
|
|
|
|
|
|
Решение. |
|
|
|
|
|
|
1 |
.Условная химическая формула керосина заданного состава имеет вид |
|||||
|
|
|
£-86,14 Н13.6 |
г' ,, |
||
|
|
|
~12 |
Г" = С7.2Н13,6- |
||
2 . Стехиометрический коэффициент состава топлива будет: а) молярный
2-7,2 + 0,5-13,6 |
|
|
=-------- -——-------= 3,537 кмоля[кмоль; |
||
б) весовой |
|
|
70 = у |
р-л |
196 |
— = 3,537 |
—- = 6,933 кг/кг. |
|
Ло |
Иг |
100 |
Те же результаты можно получить другим путем.
Для этого |
вычислим весовой |
элементарный |
состав тетранитрометана, т. е. |
||
|
|
12 |
|
4-14 |
|
|
Со = —100 = 6,12»/»; |
No = — 100 = 28,58%; |
|||
|
|
196 |
|
196 |
|
|
Оо = ^ 100 = 65,30»^. |
|
|||
При этом |
получим |
|
g |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— Сг + 8НГ — Ог |
— 86,4 + 8-13,6 |
|||
Хо — |
3 |
г |
|
3 |
— и,УО KcfKc |
|
<8 |
\ “ |
|
||
|
|
|
8 |
||
|
Оо-( ~ Со + 8НО} |
65,3 —— 6,12 |
|||
|
|
|
|
|
О |
|
7 |
= уо — = 6,93 — = 3,537 |
кмоля’кмоль. |
||
|
Н |
■ [ЛО |
196 |
|
|
Пример 6. Определить теоретический расход азотной кислоты 100 и 90%-ной
•весовой концентрации для полного сгорания 1 кмоля и 1 кг толуола С7Н8.
Решение.
и |
7„ — |
2c1+0,5hI—О; |
2-7 + 0,5-8 п |
, |
|
!----------------- |
— =---------------- |
= 7,2 |
кмоля кмоль; |
||
' |
/0 |
о2 —(2c2 + 0,5h2) |
3 — 0,5-1 |
|
|
§ 5. Определение коэффициента избытка окислителя в топливе |
145 |
2)Хо = Хи — = 7,2 - = 4,93 кг!кг-,
|
|
г Нт |
92 |
|
|
3) |
Хо = |
р-оаг |
63-100 |
5,46 кг{кг. |
|
Хр.-^=7,2—— = |
|
||||
|
|
и (лга0 |
92-90 |
|
|
Пример 7. Определить теоретически необходимое количество азотной кислоты |
|||||
для сгорания |
1 кг керосина, если компоненты имеют элементарные составы: |
||||
а) |
керосин: |
|
|
|
|
|
|
|
Сг = 85,6% =0,856 кг; |
||
|
|
|
Нг = 14,4% =0,144 кг |
||
|
|
|
Всего 100% или |
1 кг |
|
б) |
азотная кислота: |
|
|
|
|
|
|
|
Но = 1,6 = 0,016 кг; |
|
|
|
|
|
Оо = 76,2% =0,762 кг; |
||
|
|
|
No = 22,2% = 0,222 |
кг |
|
Решение. |
Всего |
100% или 1 |
кг |
||
|
8 |
|
|||
|
|
8 „ |
|
|
|
|
|
СГ + 8НГ — Ог |
— 85,6 + 8-14,4 |
||
|
|
|
—- |
------------- ■.---------- = 5,4 кг 1кг. |
|
|
|
Оо — ( |
76,2-8-1,6 |
||
|
|
Со+8Но |
|
|
|
|
|
\ <5 |
, |
|
|
|
§ 5. |
Определение коэффициента |
избытка окислителя |
||
|
|
|
в топливе |
|
|
Расчеты и эксперименты показывают, что наибольшую удель ную тягу развивает двигатель при работе на топливе с некоторым недостатком окислителя, так как при этом:
1)понижается температура продуктов сгорания топлива вслед ствие разбавления их горючим и, следовательно, снижаются потери
тепла из-за диссоциации газов;
2)образуются продукты сгорания топлива с малым молекуляр
ным весом (газообразный водород и другие легкие газы), а следо вательно, с большей газовой постоянной;
3) улучшаются условия для смешения компонентов топлива, так как чем больше отличается состав топливной смеси от стехио метрического, тем легче осуществить перемешивание и получить стехиометрический состав смеси для компонента, находящегося в недостатке; в результате увеличивается полнота сгорания и, следо
вательно, повышается удельное тепловыделение топлива, что в со вокупности с предыдущими факторами увеличивает удельную тягу двигателя.
Но, с другой стороны, при сжигании горючего с недостатком окислителя в продуктах сгорания остается несгоревший компонент
10 371
146 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД
и теряется непроизводительно часть горючего. Поэтому уменьшение
окислителя в топливе относительно стехиометрически потребного
количества практически должно иметь рациональный предел.
Отношение фактически расходуемого количества окислителя для сгорания единицы количества горючего к теоретически необхо димому принято называть коэффициентом избытка окислителя
в топливе и обозначать буквой а, т. е.
(5.24)
Хо
откуда действительное количество окислителя для сгорания едини цы горючего будет
кмоля/кмолы, х = ах„ кг/кг и х'=«Х' л/л,
где х’р. > X и 7.'— соответственно молярный, весовой и объемный действительные коэффициенты состава топлива.
В современных двигателях а?«0,704-0,98.
Если в окислителе содержатся горючие элементы, то между
коэффициентом избытка окислителя и коэффициентом избытка кис
лорода (фтора, хлора) имеется существенная разница.
В табл. 5.4 приведены расчетные значения х и Xх при различ ных а для топлива, состоящего из керосина C7,i5Hi3,5O0,05(7r=
=0,84 кг/л при 20° С) и водного раствора азотной кислоты различ ной весовой концентрации, вычисленные при нормальной темпера туре с учетом изменения удельного веса азотной кислоты в зависи
мости от ее |
концентрации. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Таблица 5.4 |
|
Таблица 5. 5 |
||||
Концентра |
96 |
98 |
100 |
96 |
98 |
100 |
Коэффи |
X |
х' |
|
ция в % |
|
|
|
|
|
|
циент |
|
||
а |
X в кг)кг |
|
|
X' в л/л |
|
|
кг[кг |
л[л |
||
|
|
|
|
|
|
|||||
0,6 |
2,993 |
2,953 |
2,935 |
1,673 |
1,643 |
1,622 |
0,6 |
|
2,054 |
1,496 |
0,7 |
3,577 |
3,534 |
3,491 |
1,999 |
1,966 |
1,929 |
0,7 |
|
2,397 |
1,745 |
0,8 |
4,175 |
4,129 |
4,068 |
2,333 |
2,297 |
2,248 |
0,8 |
|
2,793 |
1,994 |
0,9 |
4,835 |
4,750 |
4,668 |
2,702 |
2,642 |
2,580 |
0,9 |
|
3,082 |
2,244 |
1,0 |
5,512 |
5,400 |
5,292 |
3,081 |
3,004 |
2,924 |
1,0 |
|
3,424 |
2,493 |
В табл. 5. 5 приведены расчетные значения х и х' Для топлива, |
||||||||||
состоящего |
из |
керосина |
С7,15Н]4,2 |
(уг=0,83 кг/л |
|
при 20° С) |
||||
ижидкого кислорода О2.
Втабл. 5. 6 приведены значения х и х' Для топлива, состоящего из водного раствора этилового спирта различной весовой концен
трации C2HsOH • /ПгН2О и жидкого кислорода О2.