Физико-химические характеристики ракетных топлив и термодинамические характеристики продуктов сгорания

Вещества в составе окислителя, его условная формула, плотность и энтальпия. Термодинамические характеристики продуктов сгорания ядра камеры сгорания. Расчет горения в двухзонном газогенераторе, а также определение оптимального соотношения компонентов.

Рубрика Физика и энергетика
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 21.09.2016
Размер файла 1,6 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физико-химические характеристики ракетных топлив и термодинамические характеристики продуктов сгорания

Введение

окислитель сгорание газогенератор энтальпия

Исследование ракетных топлив проведено в соответствии с ГОС ВПО специальности 160400.65 «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов», рабочей программой дисциплины «Химия и горение ракетных топлив» и учебным графиком 6 семестра.

Условные формулы компонентов жидкого ракетного топлива рассчитаны в среде MathCAD, термодинамические характеристики продуктов сгорания определены программой «TERMODYN», полный факторный эксперимент проведен в среде Exel.

Полученные данные будут использоваться на последующих этапах для газодинамического расчета.

1. Свойства окислителя

1.1 Вещества в составе окислителя

Согласно выданному ТЗ, в состав жидкого ракетного топлива входит окислитель - КДАК.

Вещества и их процентное содержание, входящие в состав окислителя, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Состав окислителя - КДАК

Вещество

Формула

%

Азотная кислота

HNO3

98,7

Вода (в растворе)

H2O

1,0

Четырехокись азота

N2O4

0,3

Азотная кислота (HNO3) - сильная одноосновная кислота; высококипящий окислитель для ЖРД. При обычных условиях АК бесцветная дымящая гигроскопичная жидкость с резким запахом. Плотность 1509 кг/м3, tпл = -41°С, tкип = 84°С. АК токсична, вызывает раздражение слизистых оболочек, а при попадании на кожу - ожоги. Взрывобезопасна, термически нестабильна - разлагается с выделением кислорода и двуокиси азота (стабилизация может быть достигнута добавками четырехокиси азота и воды - что и предпринято в нашем случае), совместима с нержавеющими сталями и большинством алюминиевых сплавов. Получают главным образом окислением аммиака. В сочетании с рядом горючих образует самовоспламеняющиеся ракетное топливо. Снижение коррозионной активности АК достигают введением ингибиторов коррозии (фтористый водород, йод и т.п.). АК как окислитель для ЖРД, а также азотнокислотные ракетные окислители предложены В.П. Глушко в 1930.

Четырехокись азота, азотный тетроксид (N2O4) - высококипящий окислитель для ЖРД. Легколетучая жидкость, изменяющая свою окраску от светло-желтой (при -10°С) до красновато-бурой (при 21°С), что связано с образованием двуокиси азота вследствие диссоциации (реакция обратимая). Плотность 1450 кг/м3, tпл = -11°С, tкип = 21°С. Токсична, попадание капель на кожу вызывает ожоги. Менее агрессивна по отношению к конструкционным металлам, чем азотная кислота; примесь воды значительно увеличивает её коррозионную активность.

Смесь 2HNO3 + N2O4 + H2O является сильным окислителем, она взаимодействует с подавляющим большинством горючих веществ и практически со всеми металлами (кроме золота, платины и некоторых других).

1.2 Условная формула, плотность и энтальпия окислителя

Для удобства расчетов принято использовать условные формулы компонентов топлива, ниже приведен пример составления условной формулы вещества, расчета энтальпии и плотности.

Условные эквивалентные формулы веществ CbC HbH ObO NbN

Индивидуальное вещество

Массовый элементный состав

Смесь веществ

Фурфурол C3H3O-COH > C4H4O2N0

Мольная масса вещества

> 4µC+2µH+2µO+0µN = 82,056

Числа атомов эквивалентной формулы

при µe = 1000

Эквивалентная формула фурфурола

C48,7472H24,3736O24,3736N0

Элемент

C

H

O

N

80% C71,9400H134,9206O0,0125N0,0143 + 20% C3H3O-COH

bie - кол-во атомов элемента в смеси;

r - число элементов в смеси (C, H, O, N);

gn - массовая доля вещества в смеси;

bin - кол-во атомов элемента в веществе;

bСe = 0,8· 71,9400 + 0,2· 48,7472 = 67.3014

bHe = 0,8· 134.9206 + 0,2· 24.3736 = 112.8112

bOe = 0,8· 0.0125 + 0,2· 24.3736 = 4.8847

bNe = 0,8· 0.0143 + 0,2· 0 = 0.0114

Эквивалентная формула смеси

C67,3014H112,8112O4,8847N0,0114

Керосин

86,4%

13,6%

0,02%

0,02%

Числа атомов эквивалентной формулы

gi - массовая доля i-го элемента

Эквивалентная формула керосина

C71,9400H134,9206O0,0125N0,0143

Энтальпия и плотность смеси

Соотношение компонентов

q - число веществ в смеси;

gn - массовая доля вещества в смеси.

Мольный стехиометрический коэффициент

нi - валентность

2H2 + O2 = 2H2O стехиометрическая реакция

Массовый стехиометрический коэффициент

µО, µГ - мольные массы

действительное массовое соотношение компонентов

Коэффициент

избытка окислителя

Массовое соотношение компонентов

Массовая доля окислителя

в ракетном топливе

Связь массового соотношения компонентов

и массовой доли окислителя

Формула реакции реального горения:

исходные вещества > продукты реакции

AH·H2 + AO·O2 = BH2O·H2O + BH2·H2 + BOH·OH +

+ BO2·O2 + BH·H + BO·O + BHO2·HO2 + BH2O2·H2O2 + + BO3·O3

Для упрощения аналогичным образом производится расчет условной формулы, плотности и энтальпии в среде MathCAD. Все данные, полученные в расчетах, занесены в таблицу 2.

Таблица 2. Условная формула, плотность и энтальпия окислителя

Топливо (компонент)

Условная формула

Плотность, кг/м3

Энтальпия, кДж/кг

Окислитель (КДАК)

H16.77+N15.73+O47.67

1496.2

-2884.3

2. Свойства горючего

2.1 Вещества в составе горючего

Согласно ТЗ в качестве горючего используется АГ. Горючее АГ включает себя анилин и гидразин (таблица 3).

Таблица 3. Состав горючего - АГ

Вещество

Формула

%

Анилин

C6H5NH2

80

Гидразин

N2H4

20

Анилин (C6H5NH2) - бесцветная маслянистая жидкость со слабым запахом. Плотность 1021,7 кг/м3, tпл = -5,89°С, tкип = 98,5°С. Токсичен, термически стабилен. Легко окисляется кислородом и др. окислителями, особенно на свету. Совместим с нержавеющими сталями, алюминием и его сплавами. Анилин с азотной кислотой образует самовоспламеняющееся ракетной топливо.

Гидразин (N2H4) - высококипящее горючее для ЖРД. Бесцветная маслянистая жидкость, дымящая на воздухе, безмерно растворяется в воде. Пары имеют запах, слабо напоминающий запах аммиака. При нагревании в пламени не взрывается, а сгорает желтым кипящим пламенем. При нагревании распадается на азот и водород. Плотность 1010 кг/м3, температура кристаллизации -1,7°С, tкип = 113,5°С [1].

2.2 Условная формула, плотность и энтальпия горючего

В среде MathCAD производится расчет условной формулы, плотности и энтальпии горючего. Полученные в расчетах данные занесены в таблицу 4.

Таблица 4. Условная формула, плотность и энтальпия горючего

Топливо (компонент)

Условная формула

Плотность, кг/м3

Энтальпия, кДж/кг

Горючее (АГ)

С51.5485+N21

1019.3

33.1

3. Термодинамические характеристики продуктов сгорания в зависимости от соотношения компонентов и давления в КС

Для того чтобы определить термодинамические характеристики и состав ПС ЖРТ необходимо, для начала, определить оптимальное соотношение компонентов ЖРТ. На рисунке 1 изображен график зависимости Т и удельного импульса от ?. График (рисунок 1) получен в программе «TERMODYN».

Рисунок 1. Зависимость Т, Ар от ?

Из графика заметно, что ?опт, учитывая условие регулировки тяги двигателя, можно принять равным 0,6 или 0,8. Но так как рекомендуется чтобы плотность топлива была относительно выше, то, в силу того, что плотность окислителя больше, принимаем ?опт = 0,8.

Исходные данные для получения термодинамических характеристик представлены в таблице 5.

Таблица 5. Исходные данные

[Fuel]

Intalpia=33.1

H=85

C=51.54

N=51

[Oxydizer]

Intalpia=-2884

O=47.67

N=15.73

H=16.77

[Cycle]

Parametr=Alfa

Start=1.2

End=0.15

Number=17

Расчет характеристик выполняется в программе «TERMODYN». Результаты, где получены термодинамические характеристики и состав продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, представлены в таблице 6.

Таблица 6. Результаты расчета

Условная формула топлива:

H = 31,2788

C = 10,9559

N = 16,855

O = 37,5513

It, кДж/кг = -2264,85

Вес.доля окисл. = 0,787617

Коэф.изб. окисл. = 1

Свойства газовой смеси:

P, МПа = 7,9

T, K = 3220,23

v, м3/кг = 0,23706

Ip, кДж/кг = -2264,85

Sp, кДж/(кгK) = 10,1441

Cpз, кДж/(кгK)= 1,88117

Cpp, кДж/(кгK)= 4,14846

kз = 1,20396

kp = 1,15729

M, г/моль = 26,8411

Z (вес. д.конд.)= 3,0869E-2000

Nu, Па с = 8,78237E-5

La, Вт/(м К) = 0,25824

La», Вт/(м К) = 0,575704

Ap, м/с = 1136,89 Состав продуктов сгорания

H 5,8296916E-003

C 6,7868689E-012

№3,2148402E-006

O 3,8789155E-003

CH 3,3679743E-012

CH2 6,8445520E-012

CH3 2,0161275E-011

CH3O 8,1269328E-013

CH4 7,3232120E-012

CH4O 1,7266567E-012

CN 9,8028592E-010

CN2 1,4657348E-011

CO 4,5431773E-002

COH3 1,8041433E-011

CO2 8,7440020E-002

CO2H 3,4634935E-006

C2 8,1544046E-018

C2H 6,6074162E-016

C2H2 8,0931543E-015

C2H3 1,1150924E-017

C2H4 1,9373678E-018

C2H5 2,6206299E-021

C2H6 1,0365273E-022

C2H6O 1,2058279E-022

C2N 2,3434830E-016

C2N2 1,4949786E-015

C2O 1,5072220E-012

C3 1,1932020E-022

C3O2 1,2109606E-015

C4 1,0798710E-030

C5 9,1523250E-036

HCN 4,5764906E-008

HCO 1,2943855E-006

HC2N 3,9137764E-017

HNC 1,6390580E-010

HNO 9,2500084E-006

HNO2 3,6559436E-006

HNO3 1,0241987E-009

HN3 3,7441593E-011

HO2 8,1760282E-005

H2 3,0435147E-002

H2CO 4,5715229E-008

H2CO2 5,6412486E-007

H2O 4,5926716E-001

H2O2 1,4777366E-005

NCO 5,7964554E-009

NC2 2,1448936E-017

NH 3,3961855E-006

NH2 1,1569924E-006

NH3 1,3663557E-006

NH3O 3,4572621E-009

NO 1,2387842E-002

NO2 1,8434319E-005

N2 2,9856933E-001

N2C 5,3815846E-010

N2H2 3,2198521E-010

N2H2O2 6,0474979E-014

N2H4 4,0322877E-014

N2O 3,9229897E-006

N2O3 2,0907713E-011

N2O4 1,0120651E-015

N2O5 2,9869482E-018

N3 7,2076880E-011

OH 3,3927700E-002

O2 2,2685994E-002

O3 6,9554600E-008

C*k 0,0000000E+000

В ЖГГ генерация газа осуществляется в результате горения тех же, что и в ЖРД, компонентов топлива. Рабочий процесс в двухкомпонентных ЖГГ протекает при весовых соотношениях, намного отличающегося от стехиометрического. Это связано с тем, что температура продуктов сгорания на выходе из ЖГГ по условиям работы турбины должна быть значительно ниже, чем продукты сгорания в ЖРД [2].

Отклонение от стехиометрии выбирается в сторону горючего, так как в этом случае продукты сгорания не содержат свободного кислорода, который бы оказывал разрушительное воздействие на металлические поверхности деталей ТНА при высоких температурах.

4. Термодинамические характеристики продуктов сгорания в пристенном слое камеры сгорания ЖРД

4.1 Расчет горения в пристенном слое по плану ПФЭ 22

ПФЭ 22

g

yg1

yg2

yg3

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x3

x4

x5

x6

x3

x4

x5

x6

yg

sg2

y

1

-

-

0

0

0

0

+

-

-

-

-

+

+

-

2

+

-

0

0

0

0

-

+

+

-

-

+

+

+

3

-

+

0

0

0

0

-

+

-

-

-

-

-

+

4

+

+

0

0

0

0

-

-

+

+

+

-

+

-

1. Средние значения функции выхода: .

2. Дисперсия опытов: .

3. Проверка однородности дисперсий опытов по критерию Кохрена:

William Gemmell Cochran (15.07.1909-29.03.1980) родился в Шотландии. Степень магистра по математике и физике он получил в Университете Глазго (1931). Изучал математику и статистику в Кембридже. В 1934 переехал в США, работал в Департаменте математики, в Принстоне, Гарварде. Вышел в отставку в 1976.

Если G < Gкр(н1,н2), то дисперсии однородны.

Здесь степени свободы: н1 = m - 1 (m - число повторений опытов); н2 = N (число строк плана эксперимента). Для m = 3; N = 4 Gкр(2,4) = 0,7679.

4. Определение дисперсии воспроизводимости: .

5. Построение математической модели:

; , (i = 1; 2); .

6. Оценка дисперсий коэффициентов математической модели: .

7. Проверка значимости коэффициентов математической модели по критерию Стьюдента:

Псевдоним Student (Стьюдент) выбрал William Sealy Gosset (13.06.1876-16.10.1937), известный учёный-статистик, работавший в фирме Arthur Guinness Son & Со, владелец которой запретил своим работникам публикацию любых материалов, чтобы предотвратить раскрытие конфиденциальной информации.

Если t > tкр(нзн, q), то коэффициент значим, в противном случае его отбрасывают.

Здесь степени свободы: нзн = N (m - 1); q = 0.05 (уровень значимости).

Для m = 3; N = 4; нзн = 4 (3 - 1) = 8, тогда tкр(8,0,05) = 2,306.

8. Определение дисперсии адекватности математической модели:

,

где - рассчитанное по математической модели;

d - число членов полинома математической модели.

8. Проверка адекватности математической модели по критерию Фишера:

Фишер (Fisher) Роналд Эйлмер (17.02.1890 - 29.07.1962), английский статистик и генетик, один из основателей математической статистики и математической популяционной генетики. Основные труды по теории статистики и генетической теории эволюции. Разработал методику планирования экспериментов и внес существенный вклад в создание современной теории статистической проверки гипотез.

Если F < Fкр(н1ад, н2ад), то математическая модель адекватно описывает результаты эксперимента. Здесь н1ад = N - d; н2ад = нзн = N (m - 1). Для m = 3; N = 4; нзн = 4 (3 - 1) = 8. Тогда критические значения критерия Фишера Fкр(н1ад, 8) для q = 0,05 будут следующие:

d

2

3

н1ад = N - d

2

1

Fкр(н1ад, 8)

4,46

4,07

Для удобства рассчет производится в среде MathCAD.

4.2 Построение ММ термодинамических характеристик

5. Термодинамические характеристики продуктов сгорания в ядре камеры сгорания

5.1 Расчет горения в ядре по плану ПФЭ 32

5.2 Построение математической модели

6. Расчет горения в двухзонном газогенераторе

Заключение

В ходе выполнения работы были решены следующие задачи:

- описаны свойства веществ входящих в состав ракетного топлива;

- рассчитаны условные формулы, плотности и энтальпии компонентов ракетных топлив;

- определены термодинамические характеристики и состав продуктов сгорания при различных соотношениях компонентов в зависимости от давления:

- для пристенного слоя по плану ПФЭ 22 (факторы x1 >б; x2 >pк);

- для ядра камеры смешения по плану ПФЭ 32 (факторы x1 >б; x2 >pк);

- для первой и второй зон газогенератора ТНА по плану ПФЭ 23 (x11; x21; x3>pгг)

Все расчеты проведены в среде MathCAD, условные формулы компонентов жидкого ракетного топлива ракетного топлива, термодинамические характеристики продуктов сгорания определены программой «TERMODYN».

Результаты исследования могут использованы при проектировании ракетных двигателей.

Все полученные данные в расчетах представлены в приложении в виде таблиц.

Список использованных источников

1. Химмотология ракетных и реактивных топлив: учеб. пособие для студ. вузов / А.А. Братков, Е.П. Серегин, А.Ф. Горенков, А.М. Чирков, А.А Ильинский, В.Н. Зрелов; подред. А.А. Браткова. - М.: Химия, 1987. - 304 с.

2. Нитраты целлюлозы, нитроцеллюлоза: [электронный ресурс]. URL: http://www.exploders.info/sprawka/95.html. (Дата обращения: 13.04.2015).

3. Химия ракетных топлив: [электронный ресурс]. URL: http://pirochem.net/index.php? id1=3&category=otherpirotech&author=saner-s&book=1969&page=119. (Дата обращения: 13.04.2015).

4. Жидкостные ракетные двигатели: учеб. пособие для студ. вузов / В.А. Махин; подред. Е.К. Мошкина. - М.: ДОМ ТЕХНИКИ, 1961. - 601 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Физико–химические основы горения и взрыва. Тепловая, цепная и диффузная теории горения веществ, взрывчатые вещества. Свойства твердых топлив и продуктов сгорания, термодинамические свойства продуктов сгорания. Виды пламени и скорость его распространения.

    курс лекций [1,7 M], добавлен 05.01.2013

  • Применение котлоагрегата в работе тепловой электростанции. Задачи конструктивного и поверочного расчета котла. Теплота сгорания смеси топлив и их характеристики. Объёмы воздуха и продуктов сгорания, энтальпия. Расчёт теплового баланса парогенератора.

    курсовая работа [2,4 M], добавлен 04.11.2009

  • Описание котельного агрегата. Характеристики топлива, коэффициенты избытка воздуха по расчетным участкам, теоретические объемы воздуха и продукты сгорания. Действительные объемы продуктов сгорания, доли трехатомных газов и водяных паров, их энтальпия.

    курсовая работа [700,9 K], добавлен 28.12.2012

  • Конструктивные характеристики котельного агрегата, схема топочной камеры, ширмового газохода и поворотной камеры. Элементарный состав и теплота сгорания топлива. Определение объёма и парциальных давлений продуктов сгорания. Тепловой расчёт котла.

    курсовая работа [2,2 M], добавлен 05.08.2012

  • Расчет теоретического объёма расхода воздуха, необходимого для горения природного газа и расчет реального объёма сгорания, а также расчет теоретического и реального объёма продуктов сгорания. Сопоставление расчетов, используя коэффициент избытка воздуха.

    лабораторная работа [15,3 K], добавлен 22.06.2010

  • Расчет объемов и энтальпии воздуха и продуктов сгорания. Расчетный тепловой баланс и расход топлива котельного агрегата. Проверочный расчет топочной камеры. Конвективные поверхности нагрева. Расчет водяного экономайзера. Расход продуктов сгорания.

    курсовая работа [1,9 M], добавлен 11.04.2012

  • Энтальпия воздуха и продуктов сгорания. Тепловой баланс парогенератора и расход топлива. Основные конструктивные характеристики топки. Расчет фестона, перегревателя, испарительного пучка и хвостовых поверхностей. Определение теплообмена в топке.

    курсовая работа [541,4 K], добавлен 25.06.2013

  • Перерасчет количества теплоты на паропроизводительность парового котла. Расчет объема воздуха, необходимого для сгорания, продуктов полного сгорания. Состав продуктов сгорания. Тепловой баланс котельного агрегата, коэффициент полезного действия.

    контрольная работа [40,2 K], добавлен 08.12.2014

  • Описание парового котла. Состав и теплота сгорания топлива. Расчёт объемов и энтальпий воздуха, теплосодержания дымовых газов и продуктов сгорания, потерь теплоты и расхода топлива, топочной камеры, теплообмена в топке и конвективных поверхностей нагрева.

    курсовая работа [1000,2 K], добавлен 19.12.2015

  • Расчет горения топлива и определение средней характеристики продуктов сгорания в поверхностях котла типа КЕ-4-14. Составление теплового баланса, расчет первого и второго газохода, хворостовых поверхностей нагрева. Подбор дополнительного оборудования.

    курсовая работа [3,0 M], добавлен 17.04.2010

  • Расчет горения топлива. Объёмы компонентов продуктов сгорания, истинная энтальпия. Время нагрева металла в печи с плоскопламенными горелками. Расчет основных размеров печи. Определение расхода топлива. Выбор горелок для нагрева круглых труб в пакетах.

    контрольная работа [364,2 K], добавлен 07.08.2013

  • Конструкция и характеристики котла. Расчет объёмов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания. Определение расхода топлива. Поверочный тепловой расчет водяного чугунного экономайзера, воздухоподогревателя, котельного пучка, камеры дожигания, фестона, топки.

    курсовая работа [2,9 M], добавлен 28.02.2015

  • Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания котельной установки. Определение коэффициентов избытка воздуха, объемных долей трехатомных газов и концентрации золовых частиц. Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания. Расчет поверхностей нагрева котла.

    курсовая работа [1,9 M], добавлен 04.05.2015

  • Выбор основных характеристик топлива, способа шлакоудаления и типа углеразмольных мельниц, расчетных температур по дымовым газам и воздуху. Определение объемов воздуха и продуктов сгорания, энтальпии. Тепловой расчет топочной камеры и размещения горелок.

    курсовая работа [146,7 K], добавлен 29.05.2014

  • Схема устройства котла пульсирующего горения. Общий вид камеры сгорания. Технические характеристики котлов. Перспективные разработки НПП "Экоэнергомаш". Парогенератор пульсирующего горения с промежуточным теплоносителем паропроизводительностью 200 кг.

    презентация [153,2 K], добавлен 25.12.2013

  • Краткое описание котла ДКВР-10. Объемы и энтальпии воздуха и продуктов сгорания. Тепловой расчет топки, определение температуры газов на выходе. Расчет ограждающей поверхности стен топочной камеры. Геометрические характеристики пароперегревателя.

    курсовая работа [381,0 K], добавлен 23.11.2014

  • Устройство циркуляционной системы котельного агрегата ПК 14. Исходные характеристики по топливу и котельному агрегату. Пересчет составляющих топлива на рабочие массы и заданную влажность. Теоретический объем и энтальпия воздуха и продуктов сгорания.

    курсовая работа [2,0 M], добавлен 26.02.2014

  • Конструктивные особенности и теплотехнические характеристики парогенератора. Исследование теплотехнических характеристик бурого угля и условий его сжигания: объемы продуктов сгорания, подсчет энтальпии газов, конструктивные характеристики топки.

    дипломная работа [133,1 K], добавлен 10.02.2011

  • Типы топок паровых котлов, расчетные характеристики механических топок с цепной решеткой. Расчет необходимого объема воздуха и объема продуктов сгорания топлива, составление теплового баланса котла. Определение температуры газов в зоне горения топлива.

    методичка [926,6 K], добавлен 16.11.2011

  • Расчетные характеристики топлива. Расчёт объема воздуха и продуктов сгорания, КПД, топочной камеры, фестона, пароперегревателя I и II ступеней, экономайзера, воздухоподогревателя. Тепловой баланс котельного агрегата. Расчёт энтальпий по газоходам.

    курсовая работа [1,9 M], добавлен 27.01.2016

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.