5 8. Определение энергосодержания топлива |
165 |
||
2. Энергосодержание топлива при температуре 20? С определится |
по фор |
||
муле |
|
|
|
Л+ь/о |
= |
-412 + 2,97 (-97) |
|
/т = —;--------- |
------------- = — 176,3 ккал!кг. |
|
|
1+Хо |
|
1 + 2,97 |
|
3.Весовые доли продуктов сгорания будут
^со |
* |
=Тст = Т0’166 = 0’608; |
||
|
о |
о |
|
|
£н2о = 91+ = 9-0,038 = 0,343 и |
= 0,049 кг1кг. |
|||
4. Энергосодержание продуктов |
полного |
сгорания топлива при темпера |
||
туре 209 С
Лаз = £со/со2 + £н2с/н2о + £n/n2 = -2140-0,608 + (—3120)0,343 —
= — 2370 ккал^кг,
где /ц2о—энергосодержание паров воды при 20? С.
5. Низшая теплотворность данного топлива определится как разность энерго содержаний топлива и продуктов его сгорания, взятых при заданной темпера туре топлива То, т. е.
Т/и = (7Т /газ) Tq
или
Ни ~ ^ф.т + +.т — (^ф.газ + +.ras) — (Iф.т ^ф.газ) + (+.т — Xх.газ)-
Эта формула показывает, что теплотворность топлива представляет собой сумму разностей физических и химических энергосодержаний топлива и продук тов сгорания.
Поскольку теплотворность топлива определяется обычно при низких темпе ратурах (18—25° С, так что Т0«298?К), то при этом условии изменение физиче ских и химических энергосодержаний при сгорании топлива (превращении его в продукты сгорания) сравнительно невелико, и теплотворность в основном со стоит из изменения химических энергий. На этом основании можно считать, что
Ни |
х.газ = /т — Лаз = — 176,3 — (— 2370) = 2194 ккал!кг. |
||||||
Пример |
16. Определить |
энергосодержание керосина, если |
Сг = 0,858; |
||||
Нг = 0,135 |
и Ог = 0,007 кг{кг; |
/7иг = 10 170 |
ккал'кг, стехиометрический |
||||
коэффициент состава топлива у0 = 3,35 |
кг\кг и |
р.кер = 100. |
|
||||
Решение. |
полного |
сгорания |
1 |
кг керосина в |
газообразном |
||
1. Количество продуктов |
|||||||
кислороде будет |
|
11 |
|
|
|
|
|
|
11 |
|
|
кг[кг; |
|
||
|
Gco, ~ Т сг = — 0,858 = 3,14 |
|
|||||
|
2 |
о |
о |
|
|
|
|
GHj0 = 9-Нг = 9-0,135 — 1,21 кг]кг,
что составляет
Gp = GCOj + GHa0 = 3,14 + 1.21 = 4,35 кг!кг.
2. Энергосодержание продуктов полного сгорания керосина с учетом данных табл. 5.10
, |
Qu-обр |
-94 051 |
„ |
/со =---------- |
=----- |
~----- |
= — 2137,5 ккал кг; |
|
Нсо, |
44 |
|
|
— 57 785 |
|
|
;н2о = —77------ |
= — 3210,3 ккал)кг. |
||
1 |
I А |
|
|
166 |
|
|
Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД |
|
|||
до |
3. |
Энергосодержание данного керосина |
определится |
из баланса энергии |
|||
и после сгорания: |
|
|
|
||||
т. |
е. |
|
|
Лер + 'f.Jo2 - GCo/cO2 + GH2c/h2O + |
г> |
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Лер — Gco/co2 + GH2c/h2O + Ии г — to10, — |
|||
|
|
= 3,14 ( — 2137,5) 4- 1,21 (—3210,3) + 10 170 — 0 = — 426,2 ккал/кг. |
|||||
из |
Пример 17. |
Определить энергосодержание топлива при 20° С, состоящего |
|||||
керосина |
и |
азотной кислоты |
96%-ной |
весовой концентрации, если |
|||
X = 4,2 |
кг!кг, |
/кер = —426 ккал)кг и |
ZHN0 (96%) — 798 ккал)кг. |
||||
Решение.
Энергосодержание заданного топлива будет
, _ Л + ХЛ
т~ 1 +Х
-426 + 4,2 (-798)
--------- ------------------- = — 726,4 ккал/кг.
Пример 18. Определить при температуре 2820° К теплосодержание продуктов сгорания топлива следующего объемного состава:
СО2=12,1%; 00=20,3%; |
Н2О = 41,0%; Н2=10,1%; ОН = 1,8%; |
Н=0,8%; |
N2 = 13,8% и О2 = 0,1%. |
Решение.
1. Теплосодержание заданных компонентов продуктов сгорания топлива при
температуре 2820° К согласно данным таблицы (приложение I) |
будет |
|||||||
|
f 2820’ |
_ j’ 2800’ |
|
у'2900’ у'2800° |
|
|||
|
[ |
СО2________ СО2 |
_ f 300’ |
|
||||
|
со2 |
со2 |
|
|
ЮО |
|
со2100 |
|
|
|
— 58,81 —( — 60,309) |
20 |
|
] |
|||
— 60,309 + ------- --------------------- - |
— ( — 93,990) 103 = |
|||||||
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
= 33,980-103 ккал^кмоль-, |
|
|||||
|
/2820’ |
г* 2800’ |
, |
т’ 2900’__ J '2800’ |
пп 7’300’ |
|
||
|
С0_________ С0 |
|
|
|||||
|
'со —'со |
+ |
|
mo |
|
'со “ |
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
— 4,916—(—5,803) |
|
|
103 = |
|||
|
|
|
|
|
20° — (— 26,375) |
|||
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
=20 749-103 ккал)кмоль. |
|
|||||
Аналогично |
находим ZHj0 = 27,50103; |
= 19,609-103; |
7qH =19,854-103; |
|||||
Z„ = 12,-519-103; |
= 10,565-103; |
|
= 21,719-103 ккал'.кмоЛь. |
|||||
2. Теплосодержание |
продуктов |
сгорания |
1 |
моля горючего при той же |
||||
температуре |
|
|
|
|
|
|
|
|
Z'K = S G-Z- = (0,121 -33,980 + 0,203-20,749 + 0,410-27,50 + 0,101 • 19,609 +
+0,018-19,854 + 0,008.12,519 + 0,138-20,5654-0,001-21,319) 103=24895 ккал\кмоль.
§ 9. Требования, предъявляемые к топливу ЖРД
Некоторые качества топлива и его компонентов имеют решаю щее влияние на конструкцию двигателя, эффективность его работы
и дальность полета снаряда с этим двигателем.
$ 9. Требования, предъявляемые к топливу ЖРД |
167 |
К топливу ЖРД предъявляются следующие основные требова ния:
1. Возможно высокие значения теплотворности топлива и к. п. д.
двигателя на этом топливе, так как при этом требуется меньший
удельный и часовой расход топлива, а также меньшие габариты и вес летательного аппарата в целом. Теплотворность топлива яв
ляется основным параметром, характеризующим его качество. Теплотворность топлива и к. п. д. двигателя при работе на этом топливе оказывают существенное влияние на скорость истечения продуктов сгорания из сопла. Однако следует иметь в виду, что
иногда топливо с меньшей теплотворностью в силу других своих качеств может оказаться выгоднее топлива, имеющего большую теплотворность.
2.Возможно больший удельный вес топлива, так как при этом
втех же емкостях баков можно поместить больше по весу топлива или при данном весе топлива уменьшить габариты и вес баков, вес системы топливоподачи и аэродинамическое сопротивление лета тельного аппарата, что при прочих равных условиях обеспечит снаряду большую дальность полета. Сжиженные компоненты топ лива имеют относительно малый удельный вес, что является их большим недостатком.
Вопрос о запасе топлива и размещении его на летательном
аппарате с ЖРД имеет особо важное значение вследствие весьма больших секундных расходов топлива в двигателе.
3. Возможно большое удельное газообразование топлива. Чем
больше удельный объем получаемых продуктов сгорания при про чих равных условиях, тем меньше их температура реакции и боль
ше к. п. д.
Большой удельный объем газообразования означает меньший удельный вес этих продуктов, большую их теплоемкость и высокое
значение газовой постоянной (все эти параметры связаны между собой), а следовательно, и большую скорость истечения газов из сопла двигателя и пропорциональную ей удельную тягу.
Большой удельный объем продуктов сгорания топлива обычно
получается при применении горючих, богатых водородом и другими легкими атомами, или при использовании углеводородных топлив ■с большим избытком горючего, ввиду чего образуется значительное количество газообразного водорода, не связанного с кислородом.
Этим в основном и объясняется то, что оптимальный состав мно гих двухкомпонентных топлив не совпадает со стехиометрическим составом и обычно соответствует смеси, богатой горючим; при этом условии получаются продукты сгорания, обладающие малым моле
кулярным весом.
4. Возможно большее отношение теплоемкостей продуктов сгора ния топлива (k = Cp/cv), так как при прочих равных условиях увели
чение значения k обусловливает повышение удельной тяги двига теля.
168 |
Гл. 5) Характеристики топлив ЖРД |
5.Возможно малая вязкость и небольшое поверхностное натя жение компонентов топлива, так как при этом уменьшается расход
энергии на подачу их в камеру и улучшается распыл компонентов топлива. Распыливать компоненты топлива тем легче, чем меньше их коэффициент поверхностного натяжения. Знание коэффициента вязкости компонентов топлива необходимо при гидравлическом расчете двигателя и его агрегатов.
6.Возможно высокие значения теплоемкости, теплопроводности,
температур кипения и разложения тех компонентов топлива, кото рые предназначаются для охлаждения двигателя.
Компонент топлива должен обладать достаточной термической стойкостью во избежание кипения при данном давлении, испарения
ихимического разложения при соприкосновении с оболочкой ка
меры двигателя, нагретой до температуры порядка 300—600° С, и образования твердых и маслянистых осадков, ухудшающих тепло отвод от оболочки к жидкости. Чем выше теплоемкость, теплопро водность, теплота испарения и температура кипения компонента топ лива, тем лучше его эксплуатационные свойства как охлаждающего
агента. |
’ |
7. Возможность самовоспламенения компонентов топлива при их смешении в камере двигателя, так как при этом не требуется систе ма зажигания топлива при запуске и упрощаются конструкция
исистема запуска двигателя.
8.Возможно малый период задержки воспламенения смешива емых компонентов в широких пределах соотношения их между со бой, так как запаздывание воспламенения на доли секунды при
большом секундном расходе топлива в камеру сгорания двигателя может привести к большому скоплению в камере горючей смеси и последующему ее взрыву, а следовательно, к аварии двигателя.
Для обеспечения наилучшего срабатывания топлива в двигате ле при высоком к. п. д. с минимальной задержкой воспламенения и при наименьшем времени пребывания газов в камере сгорания температура самовоспламенения топлива должна быть по возмож ности ниже, пределы воспламенения шире, а скорость горения выше (при прочих равных условиях).
9. Возможно большая скорость сгорания топлива, так как при
этом получается более устойчивая работа двигателя и уменьшается
время пребывания данного топлива в камере сгорания, уменьша ются габариты и вес последней, а следовательно, при прочих рав ных условиях увеличивается дальность полета снаряда.
10. Возможно меньшая температура сгорания топлива в камере двигателя при высоком удельном тепловыделении; чем ниже тем пература сгорания, тем меньше будет потеря тепла вследствие дис социации продуктов сгорания топлива и тем при более благопри ятных условиях будут работать камера сгорания и сопло двигателя. Температура сгорания топлива должна допускать создание надеж ной системы охлаждения двигателя.