156 |
Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД |
Решение.
1 Условная химическая формула керосина заданного состава имеет вид
С?,15^13,4О0,05-
2. Удельный вес |
данного водного раствора азотной кислоты |
||
7о = |
: |
1 |
1 |
=------------------------------ |
= 1.491 кг)л. |
||
|
^1/11 + ^2/72 |
0,98/1520 + 0,02/1 |
|
3. Стехиометрический коэффициент состава топлива:
а) молярный |
|
|
|
|
|
= |
2ci +0,511!—о, |
2-7,15 + 0,5-13,4 -0,С5 |
|||
—------ |
—---- |
=----------- |
3--------— 0,5---------------- 1 |
= 8,4 кмоля1кмоль; |
|
|
о2 — (2с2 + 0,5h2) |
|
|
||
б) весовой |
|
|
|
|
|
|
|
|
м-о |
63 |
кг1кг. |
|
|
Хо = X,. — =8,4— = 5,292 |
|||
|
|
А |
и рг |
’100 |
1 |
4.Удельный вес топлива
Ь |
7оТг(1 +Хо) |
1,520-0,841 (1 +5,292) |
' К^Л' |
Ко + Хо7г |
1,520 + 5,292-0,841 |
5.Количество воды в 1 кмоле азотной кислоты заданной концентрации
Ро(100-ао) |
63(100-98) |
то —------—--------- |
-------- ——-----= 0,078 кмоля!кмоль. |
18з0 |
18,98 |
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
Ярт |
906 653,5 |
“ Рт + “Хр+о + 18 (wr + лг0) |
100 + 8,4-63 + 18(0 + 0,078) |
= 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
кислорода, если + = 0,818 кг1л, -[0 = 1,14 кг/л, |
■= 2,88 кмоля\кмоль |
и а = 0,8. |
|
|
|
§ 8. Определение энергосодержания топлива |
157 |
||||
Решение. |
|
|
|
|
|
||
1. Весовые доли компонентов топлива |
|
|
|||||
|
g? = |
|
= |
|
46,100 |
= 0,399 |
кг!кг; |
|
Рг’о + “Vo’r |
----------------------------------- |
|
||||
|
|
46-100 + 0,8-2,88-32-90 |
|
||||
|
|
аХр+одг |
|
|
0,8-2,88-32-90 |
= 0,601 |
кг!кг. |
|
go = Рт°о + аХр+оаг |
|
|
|
|||
|
|
46-100 + 0,8-2,88-32-90 |
' |
||||
2. |
Удельный вес топлива |
|
|
|
|
||
|
|
1 |
|
|
1 |
= 0,99 |
кг1л. |
|
7Т |
grltr+gollo |
|
|
|
||
|
|
0,399/0,818 + 0,601/ 1,14 |
|
||||
3. |
Число кмолей воды в |
1 |
кмоле этилового спирта заданной концентрации |
||||
|
|
рг(100—а,) |
46(100 — 90) „„„ |
кмоля кмоль. |
|||
|
тГ —----------------- |
=----------------- |
= 0,284 |
||||
|
г |
18аг |
|
|
18-90 |
|
|
4. |
Низшая стехиометрическая |
теплотворность |
этилового спирта заданной |
||||
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;
6) |
весовая |
|
|
|
227 370 |
|
|
и = |
|
|
_______ |
||
|
100> |
, |
100 |
------ -----------------------= 1775 ккал^кг; |
||
|
|
46 —+ 0,8-2,88-32 |
||||
|
|
Иг — + а,и, |
||||
|
|
®г |
|
ао |
|
90 |
в) |
объемная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ии — TrMi = 0,99-1775 = 1755 ккал {л. |
||
|
|
§ 8. Определение энергосодержания топлива |
||||
При расчете |
процессов |
сгорания топлива необходимо знать |
||||
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
баланса энергии выразится так: |
|
4 + Х|хЛ = ^газ ккал'кмоль, |
(5.41) |
откуда энергосодержание 1 кмоля горючего будет |
|
/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
/о = с2/со, + 0,5Ь2/н,о + 0,5о2/о, + 0,5п2/м2 — |
ОбР ккал/кмоль. |
|
Отсюда также получается формула |
для |
определения теплоты |
образования 1 кмоля окислителя: |
|
|
Qiio6p=/o — (с2/со, + 0,5Ь2/н,о + 0,5о2/о2 |
+ 0,5п24,) ккал/кмоль, |
|
где /со,, /н,о, /о, и /n2 —энергосодержание |
соответственно угле |
|
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
4o«n=Ssrft4 + QFacTB ккал/кг, |
(5.42). |
где gK — весовая доля к-того компонента в смеси |
горючего или |
окислителя в кг/кг-, |
смеси горючего |
1К — энергосодержание к-того компонента в |
|
и окислителя в ккал/кг-. |
|
|
|
§ 8. Определение энергосодержания топлива |
159 |
||||
QpacTB — теплота |
растворения |
одного |
компонента в |
другом |
|||
|
в ккал/кг. |
|
|
|
|
|
|
Например, энергосодержание водного раствора азотной кисло |
|||||||
ты определится по формуле |
|
|
|
|
|||
|
Лшо3 =5™о3/нмо3 4-^н2о/н2о-l-^HjoQpacTB ккал/кг, |
|
|||||
где £hnos |
и £н2о — весовые доли чистой азотной кислоты и воды |
||||||
|
|
|
в смеси в кг1кг; |
|
|
||
/hno, |
и /н2о —энергосодержание чистой азотной кислоты и |
||||||
|
|
|
соответственно воды в ккал)кг; |
|
|||
|
|
Трасте-теплота растворения воды в азотной кислоте,, |
|||||
|
|
|
равная 325 ккал)кг. |
|
|
||
Зная энергосодержание горючего и окислителя, можно |
опреде |
||||||
лить энергосодержание топлива, пользуясь формулами: |
|
||||||
1) |
молярное |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/т=/’г + аХр.4 |
ккал/кмоль; |
(5.43) |
||
2) |
весовое |
|
|
|
|
|
|
|
|
/т=---------------- |
|
—------------------ |
|
ккал'кг |
(5.44) |
или |
|
|
Иг + “Хр.Но + 18 (mr + “Хци^о) |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
Л + “Хс/ о |
< |
/Г „г-ч |
|
|
|
|
/т =-------------- |
|
ккал)кг, |
(5.45) |
|
|
|
|
|
1 + “Хо |
|
|
|
где /г |
и |
/0 — энергосодержание |
1 кг |
соответственно |
горючего |
||
иокислителя в ккал]кг.
Втабл. 5. 9 приведены значения энергосодержания некоторых наиболее часто применяемых компонентов топлива.
Если известны низшая теплотворность 1 кг данного компонента
топлива и элементарный весовой состав, то его энергосодержание можно определить по формуле (5.41).
Энергосодержание данного вещества зависит от принятой систе мы отсчета его величины и от того, куда отнесена химическая энер гия: к горючему или окислительному элементу или к веществу,
образующемуся в результате химической реакции.
В литературе встречаются различные способы отсчета энергосо держаний веществ. При расчетах ЖРД выбор той или иной систе мы отсчета величины энергосодержания данного вещества не яв ляется существенным, так как в этом случае нас интересует не абсолютное значение энергосодержания, а только относительное изменение его в течение данного процесса. Необходимо только весь расчет производить в одной системе отсчета.