рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Коэффициент избытка окислителя

Коэффициент избытка окислителя - раздел Политика, Курс лекций по направлениям двигательные установки летательных аппаратов дула Рассмотрим Соотношение Компонентов В Двухкомпонентном Топливе. Горючее Содерж...

Рассмотрим соотношение компонентов в двухкомпонентном топливе. Горючее содержит преимущественно элементы с электроположительной валентностью (С, Н, AI, В и др.), а окислитель - с электроотрицательной валентностью: О, CI, F и др. Окислитель и горючее применяют в определенном соотношении. Для обеспечения полного сгорания одного моля горючего - полного замещения валентностей горючих элементов валентностями окислительных элементов - требуется молей окислителя. Величину (молей окислителя/моль горючего) называют мольным стехиометрическим соотношением компонентов топлива.

Число свободных (незамещенных) электроположительных валентностей в одной молекуле горючего составляет , число свободных электроотрицательных валентностей в одной молекуле окислителя - , где vi - валентность, - число атомов химического элемента в условной молекуле горючего и окислителя.

Тогда . (3.4)

Значению соответствует массовое стехиометрическое соотношение (кг окислителя/кг горючего) и объемное стехиометрическое соотношение3 окислителя/м3 горючего) компонентов топлива. Из определения следует, что , (3.5)

Рассмотрим пример вычисления стехиометрического соотношения компонентов топлива. Значение валентности некоторых элементов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Элемент О Н С N F Al
  -2 -1

 

Топливо: окислитель - азотная кислота , молярная масса = 63,

горючее - этиловый спирт , молярная масса =46.

, , по (3.4) и (3.5) получим:

, .

Действительное соотношение компонентов в топливе ( или ) отличается от стехиометрического. Отношение величин или соответствующее стехиометрическому значению называют коэффициентом избытка окислителя:

(3.6)


 

Рассмотрим интервалы , используемые в ЖРД.

 

Рис 3.3 Зависимость температуры сгорания от

 

Интервалы изменения в агрегатах ЖРД:

<1 0,1-0,25 - отрицательный кислородный баланс - жидкостные генераторы газа (ЖГГ), жидкостные ракетные двигатели малой тяги (ЖРДМТ),

1,0 (0.5 - 0.95) - маршевые двигатели,

>1 10-20 - ЖГТ (положительный кислородный баланс).

В соответствии с реакционной способностью окислителя и горючего топлива разделяют на самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся. Самовос-пламеняющиеся компоненты топлива во всем диапазоне эксплуатационных температур и давлений реагируют при контакте в жидкой фазе с выделением теплоты. Разогрев горючей смеси инициирует предпламенные экзотермические реакции, которые разогревают топлива до температуры кипения и выше, и происходит воспламенение. Характеризуются временем задержки воспламенения - временем от момента соприкосновения горючего и окислителя в жидкой фазе до появления пламени.

При несамовоспламеняющихся топливных парах специальной системой в момент запуска двигателя создается воспламенительный факел. От него воспламеняются первые порции топлива, поступающие в камеру, а последующие поджигаются продуктами сгорания предшествующих. По интервалу температур сохранения жидкого состояния топлива или их компоненты подразделяют на высококипящие и низкокипящие. Высококипящие - это компоненты, температура кипения которых выше 298 К. При эксплуатации на земле в обычных условиях они представляют собой жидкость и хранятся без потерь на испарение (или с малыми потерями). Низкокипящие компоненты при атмосферном давлении имеют температуру кипения ниже 298 К и находятся в газообразном состоянии.

Среди низкокипящих выделяют группу криогенных компонентов, температура кипения которых ниже 120 К. Такой компонент нельзя хранить как жидкость без принятия специальных мер. Криогенными являются сжиженные газы: кислород, водород, фтор, метан, пропан и др. Для уменьшения потерь на испарение и увеличения плотности возможно применение криогенного компонента в шугообразном (от англ. sugar) состоянии - в виде подвижной двухфазной смеси твердой и жидкой фаз этого компонента.

По физической и химической стойкости в течение длительного времени различают топлива длительного хранения или стабильные и топлива кратковременного хранения. Компоненты стабильных топлив имеют при максимальной температуре в условиях эксплуатации давление насыщенного пара ниже допустимого по условиям прочности баков, допускают хранение в баках ракеты без существенных потерь.

Окончательно сформулируем требования к жидким топливам:

1. Высокая баллистическая эффективность - большой удельный импульс и большая плотность топлива.

2. Благоприятные экологические свойства - нетоксичность компонентов и продуктов сгорания.

3. Неагрессивность компонентов топлива - отсутствие коррозионного действия на конструкционные металлы и разрушающего действия на неметаллические материалы.

4. Высокая температура кипения, низкая температура замерзания компонентов.

5. Малое значение вязкости (для условий подачи и смесеобразования), большая теплоемкость и теплопроводность компонентов (важно для организации тепловой защиты).

6. Высокая химическая и физическая стабильность компонентов в условиях хранения и применения ракеты.

7. Низкая стоимость компонентов - для справки: тонна жидкого водорода может стоить 10 000$.

8. Взрывобезопасность.

9. Продукты сгорания должны находиться в камере в газообразном состоянии. Ни одно топливо всем этим требованиям удовлетворить не может и проектировщики находят компромиссные решения в соответствии с целями создания ракетного комплекса путем проработки различных вариантов рецептур и имеющегося опыта создания и эксплуатации изделий.

 

3.3.2. Основные характеристики жидких топлив

Рассмотрим типичные криогенные окислители:

Кислород. Прозрачная голубоватая жидкость, имеет следующие физико-химические характеристики: температура кипения 90 К, плотность при этой температуре – 1140 кг/м3, температура плавления 54 К, критические параметры - температура 154 К, а давление 4,9 МПа. Энергетические возможности двух топлив с типичными для кислорода горючими: углеводородным Т-1 (керосин) и жидким водородом показаны в таблице 3.2 (здесь и в других таблицах значения удельного импульса вычислены для стандартных условий: ,

pa = 0,1 МПа. Плотность топлив определена по формуле , где , - плотность и доля i-ого компонента топлива.

 

Таблица 3.2

Горючее     , м/с , кг/м3  
Т-1 3,35 0,8
  0,5

Топливо кислород + водород обладает наибольшим импульсом, имеет меньшую температуру продуктов сгорания, что важно для организации тепловой защиты, но уступает по плотности. Ни с одним горючим кислород не дает самовоспламенения. Оба топлива нашли применение в ДУ ракет-носителей среднего и тяжелого класса.

Топливные баки, арматуру и собственно двигатели для кислорода выполняют из алюминиевых сплавов, латуней и нержавеющих сталей.

Фтор. Желтая прозрачная жидкость с удушливым запахом, имеет характеристики: температура кипения 85 К, плотность при этой температуре -1510 кг/м3, температура плавления 53 К, критические параметры - температура 144 К, а давление 5,4 МПа. Самый химически активный окислитель, взаимодействует со всеми элементами, задержка самовоспламенения с горючими не превышает 0,0003 с.

Энергетическая эффективность показана в таблице 3.3 по аналогии с кислородом.

 

Таблица 3.3

Горючее     , м/с , кг/м3  
Т-1 8,05 0,3
  0,4

 

Удельный импульс топлива фтор + водород больше, чем у пары кислород + водород, но существенно выше температура продуктов сгорания ввиду низкого значения их теплоемкости и меньшей склонности к диссоциации. Фтор является чрезвычайно опасным в обращении продуктом - ПДК = 0,00001 мг/л, все работы с ним ведутся в герметичном защитном костюме и в изолирующем противогазе.

Все высококипящие окислители ( > 293 К) содержат наряду с окислительным элементом (кислородом) и элементы-носители (азот и водород).

Азотная кислота. Прозрачная желтоватая жидкость, имеет характеристики: температура кипения 357 К, плотность при Т= 293 К - 1510 кг/м3, температура плавления 231 К. С рядом горючих (аммиак, амины, несимметричный диметилгидразин) дает самовоспламенение с малым периодом задержки. Энергетическая эффективность топлива на основе азотной кислоты невелика, как показано в таблице 3.4

 

Таблица 3.4

Горючее     , м/с , кг/м3  
Т-1 5,35 0,9

 

Азотная кислота является высокоопасной в обращении вследствие токсичного действия оксидов азота.

Азотный тетроксид (). Темно-бурая жидкость, «дымящая» на воздухе, имеет характеристики: температура кипения 294,5 К, плотность при Т= 293 К – 1450 кг/м3,температура плавления 262 К. С горючими на основе аминов и несимметричным диметилгидразином обеспечивает самовоспламенение.

Энергетические возможности окислителя показаны в таблице 3.5

 

Таблица 3.5

Горючее     , м/с , кг/м3  
T-1 (керосин) 4,9 0,85
Несимметричный диметилгидразин 3,07 0,9
Гидразин 1,44 0,95

 

Топливо AT + гидразин по значению удельного импульса приближается к топливу кислород + керосин и превосходит его по значению плотности. Но в отечественном ракетостроении этот окислитель нашел значительное применение в сочетании с горючим - несимметричным диметилгидразином. По ряду критериев: баллистическая эффективность, самовоспламеняемость, приемлемые значения температуры кипения и замерзания, возможность многолетнего хранения ракеты в заправленном состоянии такое топливо оказалось лучшим. Двигательные установки ракеты «Протон» созданы еще в 60-е годы именно на этом топливе, до сих пор ракета является самым мощным носителем на высококипящих компонентах.

Теперь обратимся к углеводородным горючим. Таковыми являются индивидуальные вещества или смеси различных по строению веществ, практически полностью состоящие из двух элементов: углерода и водорода. Обычно применяют смеси, получаемые прямой перегонкой нефти и переработки ее отдельных фракций. Горючие как индивидуальные вещества являются синтетическими продуктами.

Элементарный состав горючего: С, Н, S, О, N. Сера, кислород, и азот присутствуют в малых количествах, не оказывают существенного влияния на энергетические показатели топлива. Но сера и ее соединения сильно влияют на эксплуатационные характеристики горючего - оказывают коррозирующее действие и способствуют смолообразованию в горючем.

Горючее Т-1. Бесцветная жидкость с запахом нефтепродуктов, получаемая прямой перегонкой нефти малосернистых сортов. Состав горючего выражает условная формула . Плотность при Т = 293 К - 810 кг/м3. Применяется обычно в паре с жидким кислородом. Эффективность показана в таблице 3.2. Горючее не самовоспламеняется ни с чем, кроме фтора.

Легкие парафины (формула ). Из всех соединений водорода самым «водородосодержащим» является метан и его ближайшие гомологи в ряду парафинов. Эти продукты стабильны, неагрессивны, нетоксичны и дешевы в получении. Свойства их показаны в таблице 3.6.

 

Таблица 3.6

Продукт Ткип , К Тпл , К , кг/м3 Ткр , К МПа
Метан, 111,4 90,5 4,64
Этан, 184,5 4,91
Пропан, 4,36

 

Энергетические возможности этих горючих в паре с жидким кислородом показаны в таблице 3.7.

 

Таблица 3.7

Горючее     , м/с , кг/м3 , К
Метан 4,9 0,8
Этан 3,07 0,8
Пропан 1,44 0,8

 

В настоящее время приступили к реализации криогенных углеводородных горючих в двигателестроении - они доступны, дешевы, могут долго храниться в условиях космического пространства и имеют высокие значения удельного импульса.

Давно рассматривается применение в качестве горючего металлов Be, Li, A1 и их гидридов. При горении этих металлов в кислороде и фторе на единицу массы продуктов сгорания выделяется больше теплоты, чем при горении водорода. Но трудности подачи металлов в камеру сгорания и возникающие дополнительные потери удельного импульса из-за двухфазности продуктов сгорания (газ + жидкие частицы окислов металлов) пока исключают реализацию жидких топлив с добавками металлов в практике двигателестроения.

Можно считать, что в распоряжении разработчиков ракет и их двигательных установок имеется широкий набор компонентов топлив, позволяющий решить задачи создания новых ракетных комплексов для исследования и эксплуатации космического пространства.

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Курс лекций по направлениям двигательные установки летательных аппаратов дула

Гоу впо мгту им н э баумана.. в е медведев а г минашин с д панин б б петрикевич..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Коэффициент избытка окислителя

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Краткий исторический экскурс
Человечество впервые увидело реактивное движение на примере каракатицы – живого существа, передвигающего отбрасыванием воды и сокращением мышц внутри организма. Порох, состоящий из смеси с

Тяга ракетного двигателя
Энтальпию продуктов сгорания в камере сгорания в кинетическую энергию струи можно преобразовать различными способами: подводом теплоты и массы по тракту постоянной геометрии, ускорением в сужающихс

Удельные параметры ракетного двигателя
Абсолютная величина тяги РД никак не характеризует степень совершенства РД. Для ЖРД качественным показателем является удельный импульс тяги (удельный импульс) - величина импульса тяги двигателя с е

Расходный комплекс камеры
Задается соотношением . Размерность: в СИ β [м/с], в ТСЕ β[сек]. Характеризует удельный импульс, создаваемый только камерой сгорания (корпусом двигателя) без со

Коэффициент тяги
Задается соотношением . Коэффициент тяги показывает увеличение тяги двигателя вследствие наличия сопла. Иногда КТ называют безразмерной тягой. Теоретическое значение

Геометрическая степень расширения сопла
Эта величина не только определяет размеры сопла, но и характеризует основные параметры работы сопла: (или скорость ). Связь между основными параметрами определяется известными из газовой динамики с

Оценка эффективности ракетного двигателя
Очевидно, что эффективность РД можно оценивать только с позиций ЛА, т.е. критерии качества РД должны вытекать из целей ЛА как объекта высшего уровня иерархии. Из курса ОУЛА известно, что критерием

Топлива ракетных двигателей
Под топливом РД будем понимать вещество или совокупность веществ, способных к химическим реакциям с выделением энергии и к образованию высокотемпературных продуктов для создания тяги. Таких веществ

Жидкие ракетные топлива
По назначению жидкие ракетные топлива (ЖРТ) подразделяют на основные, пусковые и вспомогательные. Основные предназначены для создания тяги маршевых двигателей, т. е. разгона полезной нагрузки, а та

Твердые ракетные топлива
К твердым топливам, являющимися источниками энергии на борту ракеты и рабочего тела двигателей, предъявляют ряд требований, схожих с требованиями к жидким топливам. Ясно, что нужны рецептуры с наиб

ЛЕКЦИЯ 4
Продукты сгорания твердого топлива оказывают воздействие на материалы тракта и для массового совершенства тепловой защиты ДУ необходимо выбирать или создавать рецептуры с меньшим значением величины

Гибридные топлива
Гибридным называют топливо, в котором один компонент перед запуском двигателя находится в твердом виде, а другой - в жидком. Твердый компонент размещен в корпусе двигателя (аналогия с РДТТ), жидкий

Горение жидких топлив
С момента впрыска в камеру до полного преобразования в конечные продукты сгорания компоненты проходят путь сложных превращений. Рабочий процесс в камере должен обеспечить максимальную полноту сгора

Горение твердых топлив
Горение твердых топлив есть последовательность процессов в соответствии со схемой рис. 4.3. После прогрева поверхностного слоя баллиститного топлива устройством запуска ДУ происходит газификация то

Горение гибридных топлив
Горение происходит по поверхности твердого компонента, капли жидкого компонента движутся вместе с продуктами сгорания как жидкогазовая смесь, продукты испарения жидкости диффундируют к поверхности

Термодинамические расчеты состава и параметров рабочего тела
Моделирование рабочих процессов в РД начинает с расчета равновесного состава продуктов сгорания и значений термодинамических параметров ( и др.). Кроме того, необходимо знать переносные св

Термогазодинамика потока рабочего тела
Перейдем к термогазодинамике потоков – определению параметров движущегося рабочего тела. Рассмотрим наиболее простую модель движения газа: одномерное установившееся адиабатическое (изоэнтропическое

Течение газа в соплах
Сопло является трансформатором энергии в ракетном двигателе и его назначение - получение наибольшего значения скорости истечения рабочего тела, существенно превышающего значение скорости звука. Это

Профилирование сопла
В сопле камеры двигателя происходит расширение и разгон продуктов сгорания (рабочего тела), т.е. преобразование тепловой энергии, получаемой в камере сгорания, в кинетическую энергию движения газов

Потери удельного импульса в ракетных двигателях (в камере ЖРД и РДТТ)
Отличие параметров продуктов сгорания (рабочего тела) при действительном рабочем процессе в камере ЖРД, корпусе и СБ РДТТ (горение, расширение) от параметров идеального рабочего процесса учитываетс

Потери удельного импульса в сопле
Коэффициент потерь удельного импульса в сопле РД представляется в виде:   где - составляющие потерь в сопле. Представление аддитивной суммой не совсем корректно ввид

Конвективный теплообмен
Перенос в движущейся среде любой субстанции (массы, импульса, теплоты) происходит как молекулярным хаотическим движением, так и конвективным (макроскопическим) движением молей газа или жидкости. Ко

Двигателя твердого топлива
Газовая фаза продуктов сгорания топлив содержит кислородосодержащие компоненты ( и др.), которые через пограничный слой подходят к нагретой поверхности материалов тракта сопла и окисляют их. Возник

Радиационный теплообмен в ракетных двигателях
В высокотемпературных продуктах сгорания топлив ракетных двигателей происходят процессы переноса энергии в форме излучения - атомно-молекулярного перехода части внутренней энергии вещества в поток

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги