Сгорание керосина в двигателе самолета уравнение

Основные теоретические положения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ АВИАЦИОННОГО КЕРОСИНА

Цель работы

Целью работы является освоение методики расчёта теплофизических параметров и состава многокомпонентной газовой смеси на примере продуктов сгорания авиационного керосина, а также исследование зависимости удельной теплоёмкости продуктов сгорания от их температуры и состава.

Основные теоретические положения

Взаимосвязь между термическими параметрами рабочего тела устанавливается уравнением состояния [1,2]

Во многих случаях достаточно точной для описания состояния газообразных рабочих тел и его изменения в различных процессах, происходящих в тепловых машинах, является модель идеального газа. Уравнение состояния для идеального газа имеет вид

В качестве рабочих тел в тепловых машинах и других технических устройствах для взаимного преобразования различных видов энергии используются различные газы, жидкости и (или) их пары.

Воздух и продукты сгорания углеводородных топлив, используемые в качестве рабочих тел в большинстве тепловых двигателей, работающих в атмосфере, являются многокомпонентными газами. Установлено, что смесь идеальных газов обладает свойствами идеального газа и для нее справедливо уравнение состояния (1.2). Однако при проведении расчётов возникает необходимость определения ряда параметров газовой смеси: молярной массы m, газовой постоянной R, удельной изобарной теплоёмкости с_p, плотности r и др.

Они могут быть установлены достаточно просто при известном составе газовой смеси, который может быть выражен через массовые доли компонентов (число компонентов п)

; (1.3)

объёмные доли компонентов

(1.4)

или мольные доли

,(1.5)

где величины с индексом i относятся к отдельным компонентам смеси. Здесь V_i – парциальный объём компонента, находящегося в смеси при парциальном давлении (такой объём компонент занимал бы при температуре Т и давлении p смеси).

Взаимосвязь массовых и объемных долей компонентов смеси идеальных газов выражается соотношениями

.(1.6)

Уравнения для расчета параметров смеси идеальных газов при известных параметрах для отдельных компонентов имеют вид:

– молярная масса смеси

, кг/кмоль,(1.7)

– удельные газовые постоянные компонентов смеси

, кДж/(кг·К),(1.8)

где кДж/(кмоль·К) – универсальная газовая постоянная;

– удельная газовая постоянная смеси

, кДж/(кг·К),(1.9)

– удельная массовая теплоёмкость при постоянном давлении

, кДж/(кг·К),(1.10)

– удельная массовая теплоёмкость при постоянном объёме по уравнению Майера

кДж/(кг·К),(1.11)

– удельная мольная теплоёмкость

, кДж/(кмоль·К),(1.12)

, кДж/(кмоль·К) , (1.13)

– удельная объёмная теплоёмкость

, кДж/(нм 3 ·К),(1.14)

, кДж/(нм 3 ·К).(1.15)

– объём 1 киломоля газа при нормальных физических условиях (t₀ =0 o С, р₀ = 101325 Па),

, (1.16)

– парциальные давления компонентов

, Па. (1.17)

Значения истинных теплоёмкостей в уравнениях (1.10)…( 1.15) для отдельных компонентов зависят, главным образом, от температуры и задаются в табличной форме (табл. 1.6) или уравнениями вида с_i = f(Т). Поэтому соответствующие параметры газовой смеси будут также являться функциями температуры.

В состав сухого воздуха входят следующие компоненты:

азот N₂ ( = 0,7803), кислород О₂ ( = 0,2099), аргон Аr ( = 0,0094), водород Н₂ ( = 0,0001), диоксид углерода СО₂ ( = 0,0003) и некоторые другие примеси.

В практических расчётах обычно принимают воздух состоящим из кислорода и атмосферного азота, относя к азоту все примеси. При этом объёмные доли компонентов принимают равными: = 0,21, = 0,79 , а массовые доли– =0,232, =0,768 .

Зависимости истинных теплоёмкостей c_р = f(Т) для компонентов воздуха и продуктов сгорания углеводородных топлив в диапазоне температур Т= 600…1300 К могут быть аппроксимированы полиномами вида

, кДж/(кг·К).(1.18)

Значения m_i , R_i и коэффициенты полинома (1.18) даны в табл. 1.1.

Значения m_i , R_i и коэффициенты полинома (1.18)

Газ	mi ,	Ri ,	Коэффициенты полинома
		а0	а1	а2
Атмосферный азот N2атм	28,15	0,2954	0,87455	0,36339	-0,0811
Кислород О2	0,2598	0,77723	0,47505	-0,16188
Диоксид углерода СО2	0,1889	0,67209	0,84759	-0,28332
Водяной пар Н2О	0,4615	1,60160	0,68262	0,00771
Оксид углерода CO	0,2968	0,86421	0,43879	-0,11824

Помимо истинных теплоемкостей в расчетах могут применяться также их средние для интервала температур значения. За начальную температуру при вычислении средней теплоемкости газа может приниматься t₀ = 0 о С или T₀ = -273,15 о С (0 K).

В первом случае средняя теплоемкость определяется по формуле

, (1.19)

.(1.20)

Соответственно энтальпии могут вычисляться по формулам

,(1.21)

.(1.22)

При этом будут соблюдаться условия: , , а , т.е. .

Использование средних теплоемкостей , отсчитанных от 0 о С, практически является неудобным, так как в расчетные термодинамические формулы входит абсолютная температура, поэтому в большинстве случаев используются величины .

В термодинамических процессах с изменением температуры T [Т₁;Т₂] средняя для процесса удельная теплоемкость может быть определена по формуле

.(1.23)

Элементарный химический состав углеводородного топлива с условной формулой С_хН_у может быть определен с учетом соотношений

,(1.24)

,(1.25)

где 12,01 , 1,008 – условные атомные массы, а , – массовые доли углерода и водорода в топливе.

Расчётный состав продуктов сгорания определяется в первом приближении по основным компонентам – СО₂,СО, Н₂О, N_2атм, О₂ в пренебрежении диссоциацией компонентов вследствие относительно низких температур газа.

Если пренебречь наличием в продуктах сгорания весьма незначительных концентраций несгоревших углеводородовС_хН_уи частиц углерода (дыма), то всю невыделившуюся теплоту сгорания топливаQ_{неп.сгор.} можно отнести к незавершенности реакции СО®СО₂

где Q_{(СО ® СО2)} = 285500 кДж/кмоль – экзотермический тепловой эффект этой реакции.

Тогда из уравнения

_{неп.сгор.} =

можно определить массовый секундный расход оксида углерода СО за камерой сгорания двигателя

, кг/с. (1.26)

Здесь (кг/с) – секундный расход топлива, (кДж/кг) – низшая теплотворная способность топлива (без конденсации водяных паров), – коэффициент полноты сгорания топлива.

Массовый расход элементов, участвующих в реакциях горения, и полученных компонентов газовой смеси можно определить из приводимых ниже стехиометрических уравнений горения элементов топлива.

1. Реакция неполного сгорания углерода такова

1 кмоль 0,5кмоль 1кмоль

12 кг 16 кг 28 кг

Количество углерода, окисленного в его оксид СО

, кг/с.(1.27)

Количество прореагировавшего при этом кислорода определяется как

, кг/с.(1.28)

Количество углерода в топливе, не участвующего в реакции

, кг/с. (1.29)

2. Реакция окисления углерода в его диоксид СО₂ такова

1 кмоль 1 кмоль 1кмоль

12 кг 32 кг 44 кг

Количество образовавшегося СО₂ равно

, кг/с. (1.30)

Количество прореагировавшего при этом кислорода определяется как

, кг/с. (1.31)

3. Реакция окисления водорода в воду Н₂О такова

1 кмоль 0,5 кмоль 1кмоль

2 кг 16 кг 18 кг

Количество образовавшейся воды Н₂О равно

, кг/с.(1.32)

Количество прореагировавшего при этом кислорода определяется как

, кг/с.(1.33)

4. Общее количество кислорода, участвовавшего в реакциях горения, равно

, кг/с. (1.34)

5. Количество остаточного кислорода в продуктах горения составляет

, кг/с. (1.35)

Здесь (кг/с) – массовый расход воздуха на входе в двигатель.

3. Описание экспериментальной установки

В качестве исследуемой многокомпонентной газовой смеси выступают продукты сгорания авиационного керосина ТС-1. Регулирование их состава в экспериментах осуществляется за счет различного соотношения массовых расходов сжигаемого топлива и воздуха в камере сгорания. Состав топливовоздушной смеси обычно характеризуют коэффициентом избытка воздуха a, определяемым по формуле:

, (1.36)

где , кг_возд/кг_топл – количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1 кг топлива. Сжигание керосина осуществляется в камере сгорания малоразмерного турбореактивного двигателя (ТРД) ТС-20, схема которого показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема ТРД ТС-20 с контрольными сечениями:

1 – входное устройство с мерным участком, 2 – компрессор,

3 – камера сгорания, 4 – турбина, 5 – реактивное сопло

Последующее расширение газа в турбине и реактивном сопле с понижением температуры газа позволяет провести исследование зависимости удельной теплоемкости и показателя адиабаты продуктов сгорания различного состава от температуры: c = f(Т),k = f(Т).

При проведении эксперимента устанавливаются следующие параметры:

1. Давление р₀ в окружающей среде, измеряется барометром в мм рт.ст.

2. Температура окружающей среды t₀, измеряется спиртовым термометром в градусах Цельсия.

3. Перепад давления Dр_м в мерном участке входного устройства, измеряется водяным пьезометром в мм вод.ст.

4. Полное давление за компрессором, измеряется по избыточному давлению с помощью образцового манометра (100 делений шкалы соответствуют избыточному давлению _изб.= 2,5 кг/см 2 = 245250 Па).

5. Полная температура за компрессором, измеряется хромель-копелевой (ХК) термопарой с регистрацией величины термоэлектродвижущей силы милливольтметром, шкала которого проградуирована в градусах Цельсия (Dt₂ * = — t_х.сп., где t_х.сп – контролируемая в ходе опытов температура холодного спая термопары, служащая точкой отсчёта при измерениях).

6. Статическое давление р₄ за турбиной, измеряется по избыточному давлению с помощью образцового манометра (100 делений шкалы соответствуют избыточному давлению _изб. = 1,6 кг/см 2 =156960 Па).

7. Полная температура за турбиной, измеряется хромель-алюмелевой (ХА) термопарой с регистрацией величины термоэлектродвижущей силы милливольтметром, шкала которого проградуирована в градусах Цельсия (Dt₄ * = — t_х.сп. ).

8. Полное давление р₅ * на срезе сопла, измеряется по избыточному давлению с помощью образцового манометра (100 делений шкалы соответствуют избыточному давлению _изб.= 1,6 кг/см 2 = 156960 Па).

9. Объемный расход топлива , измеряется с помощью расходомера ТРД-4, установленного в системе топливопитания двигателя, и электронноцифрового частотомера ЧЗ-24 (f_V ).

10. Частота вращения ротора турбокомпрессора п, измеряется с помощью тахометра ДТЭ-2 и частотомера ИЧ-6 (f_п).

При выполнении лабораторной работы проводятся три эксперимента при различных режимах работы двигателя, отличающихся расходом топлива и числом оборотов ротора.

Результаты экспериментов вносятся в таблицу опытных данных (табл. 1.2).

Режим	fп	р0	t0	Dрм		D	р4	D	р5 *	fV
Гц	мм рт.ст.	о C	мм вод.ст.	делен.	o C	делен.	o C	делен.	Гц
1.
2.
3.

4. Обработка результатов эксперимента

1. Прежде всего, необходимо перевести результаты измерений в единицы измерения системы СИ. Для этого используются следующие соотношения для единиц давлений:

1 мм рт.ст.=1 торр=133,6 Па; 1 мм вод.ст.=9,81 Па;

1 кг/см 2 = 9,81×10 4 Па.

Абсолютные давления по сечениям двигателя определяются с привлечением измеренных избыточных давлений

Температуры по сечениям двигателя определяются по формуле

Здесь температура холодного спая принимается t_х.сп.= t₀, где t₀ – температура воздуха в лаборатории.

Частота вращения ротора турбокомпрессора п равна

Объёмный расход топлива определяется по формуле

, л/с. (1.38)

Данные первичной обработки результатов экспериментов вносятся в табл. 1.3.

Данные первичной обработки результатов эксперимента

Режим	fп	р0	Т0	Dрм	абс.		р4 абс.		р5 * абс.
	Па	К	Па	Па	К	Па	К	Па
1.
2.
3.

2. Необходимыми данными для обработки результатов опытов являются:

а) характеристики керосина ТС-1:

– низшая теплотворная способность Ни = 42914 кДж/кг;

– стехиометрический коэффициент топлива =14,9 кг_возд/кг_топл;

– плотность топлива r_Т = 0,775 ×10 3 кг/м 3 =0,775 кг/л ;

б) технические характеристики двигателя ТС-20:

– площадь входного устройства в мерном сечении F_м = 109,4×10 -4 м2 ;

– коэффициент полноты сгорания в камере h_Г =0,97;

– коэффициент потерь полного давления в камере сгорания s_к.с.= 0,92.

3. Расход воздуха находится по формуле

, кг/с, (1.39)

где удельный объем воздуха в мерном сечении находится из уравнения состояния

, м 3 /кг. (1.40)

Здесь R_в = 287 Дж/(кг×K) – газовая постоянная воздуха.

Учитывая, что , для более точного расчёта можно воспользоваться формулами

, Па, (1.41)

, К. (1.42)

Здесь 1005 Дж/(кг·К) – удельная теплоемкость воздуха.

Скорость воздуха в мерном сечении определяется как

, м/с. (1.43)

Здесь (м 3 /кг) – первоначально найденное приближенное значение удельного объема в мерном сечении.

4. Массовый расход топлива равен

, кг/с. (1.44)

, кг/с. (1.45)

6. Коэффициент избытка воздуха в камере сгорания

. (1.46)

7. Относительный расход топлива

, кг_топл/кг_возд (1.47)

8. Среднемассовая температура газа перед турбиной может быть найдена из приближенного уравнения теплового баланса при горении топлива

. (1.48)

В (1.48) – условная средняя теплоемкость при подводе теплоты в камере сгорания. Отсюда вместо (1.48) имеем:

. (1.49)

Хорошее совпадение с результатами точного расчета величины получается при _р =1,1242 кДж/(кг·К). В связи с относительно небольшими скоростями газа в камере сгорания и за турбиной можно приближенно принять равенство статических и температур торможения и .

9. Считая в первом приближении изменение параметров газа в реактивном сопле, протекающим по обратимой адиабате, принимаем . Тогда статическая температура газа на срезе сопла может быть найдена из уравнения изоэнтропического торможения газа в выходном сечении сопла:

, К. (1.50)

Здесь принимается, что 1,33 и при полном расширении газа в реактивном сопле имеем p₅ = p₀ .

10. Массовый состав продуктов горения определяется как

, (1.51)

где значения , , , определяются по формулам (1.26), (1.30), (1.32), (1.35) соответственно, а .

Контрольная проверка расчётов исходит из их удовлетворения формуле .

11. Объёмные доли компонентов газовой смеси r_i определяются по формуле (1.6), а контрольная проверка расчетов основывается на формуле .

12. Удельная истинная теплоемкость при постоянном давлении для компонентов газовой смеси c_рi при температурах Т₃, Т₄, Т₅ определяется по формуле (1.18) или по данным таблицы 1.6 методом интерполяции.

Полученные данные для каждого режима работы двигателя вносятся в табл. 1.4.

Расчётные данные для каждого режима

13. Удельная газовая постоянная газовой смеси R – по формуле (1.9).

14. Молярная масса газовой смеси m – по формуле (1.7).

15. Удельная истинная теплоемкость при постоянном давлении c_р для газовой смеси – по формуле (1.10).

16. Удельная истинная теплоемкость при постоянном объеме c_V для газовой смеси – по формуле (1.11).

17. Показатель адиабаты газовой смеси k – по формуле (1.16).

Полученные данные для трёх режимов сводятся в табл. 1.5.

Результаты расчёта для трех режимов работы ТРД

Продолжение табл. 1.5

По результатам расчетов строятся графики зависимостей удельной теплоемкости и показателя адиабаты для продуктов сгорания в виде:

5. Требования к отчёту

Отчёт по лабораторной работе должен включать краткую информацию по теоретической части, схему экспериментальной установки с указанием контрольных сечений проточной части ТРД, таблицы результатов 3-х экспериментов и результатов проведённых расчётов, графики зависимостей

и выводы по работе. В них следует резюмировать полученные данные о массовом и объёмном составе продуктов горения керосина и проанализировать характер протекания зависимостей

При оформлении отчёта следует придерживаться следующих правил:

1. Результаты промежуточных вычислений фиксируются с точностью до 5 значащих цифр (например, р = 101320 Па, Т = 413,15 К, = 0,95371 кг/с, q_т = 0,020351, c_p = 1,1242 кДж/кг). Конечные результаты округляются до 4 значащих цифр (c_p = 1,124 кДж/кг, k=1,312).

2. Вычисления представляются в следующей форме: расчётная формула, числовая подстановка, результат расчёта.

3. У результатов расчёта, представляющих собой размерные величины, обязательно указывается единица измерения.

4. При построении графиков вначале оцениваются диапазоны варьирования параметров и с их учётом наносятся равномерные шкалы, проставляются масштабные числа и с использованием этих масштабов наносятся экспериментальные или расчётные данные. При выборе масштабов должен использоваться предпочтительный ряд чисел: 1; 2; (2,5); 4; 5 и кратные им числа; использование в масштабах чисел 3; 6; 7; 9; 11; 13 и т.д. не допускается.

Истинные массовые теплоёмкости газов в составе продуктов сгорания керосина при постоянном давлении (по спектроскопическим данным [3]) в кДж/(кг×К) представлены в табл. 1.6.

Истинные массовые теплоёмкости газов в составе продуктов сгорания керосина при постоянном давлении (по спектроскопическим данным [3]) в кДж/(кг×К)

Общие указания

Закрепление знаний и приобретение практических навыков по темам:

а) Определение теплового эффекта химической реакции горения и температуры продуктов сгорания;

б) Определение теплоты сгорания углеводородных топлив;

в) Основные положения теории детонации;

г) Основные параметры камер сгорания авиационных ГТД.

2.1. Проверка готовности студентов к выполнению

2.2. Выдача заданий . . 5 мин.

2.3. Выполнение расчётов по названным темам. .мин.

2.4. Анализ полученных результатов расчётовмин.

2.5. Контрольный опрос и подведение итогов занятий мин.

Практическое занятие № 1

Тема: «Определение теплового эффекта химической реакции горения и температуры продуктов сгорания»

1. Основные сведения

Горением называют физико-химический процесс, при котором химическое превращение вещества сопровождается интенсивным выделением энергии и тепло — и массообменом с окружающей средой. Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения (когда, например, температура окружающей среды оказывается равной или больше температуры воспламенения вещества) либо быть инициированным зажиганием (например, в авиационных двигателях при использовании дугового разряда свечи или пламени из специального воспламенителя).

Уравнение первого закона термодинамики для процесса, сопровождающегося химическими превращениями, в дифференциальной форме имеет следующий вид:

(1)

где — количество выделившейся теплоты (при экзотермической реакции) или поглощённой (при эндотермической реакции); — изменение внутренней энергии вещества; — дифференциал работы расширения; — дифференциал других возможных видов работы, совершающейся в процессе химической реакции (например, электрической работы, магнитной работы и др.).

В термохимии под тепловым эффектом реакции понимается величина при неизменных или Т или при неизменных р и Т и при условии, что системой может производиться работа расширения, а =0. В соответствии с этим в химической термодинамике пользуются двумя значениями тепловых эффектов: теплового эффекта изохорно-изотермической реакции и теплового эффекта при изобарно-изотермической реакции .

Для изохорно-изотермического процесса работа расширения равна нулю (=0), и поскольку согласно условию =0, уравнение первого закона термодинамики принимает вид или в интегральной форме

(2)

Для изобарно-изотермической реакции уравнение первого закона термодинамики принимает следующий вид

(3)

или в интегральной форме

(4)

Здесь — дифференциал энтальпии (теплосодержания) вещества, а разность — изменение теплосодержания вещества; — работа техническая системы.

Поскольку внутренняя энергия и энтальпия являются функциями состояния вещества (), значения и определяются соответствующими начальными и конечными состояниями системы.

На основании этого постулата русский химик в 1840 году сформулировал закон: тепловой эффект реакции, состоящей из нескольких промежуточных стадий, не зависит от этих промежуточных стадий или их последовательности, а полностью определяется начальным и конечным состояниями системы.

Закон Гесса может быть выражен также следующим образом: если система посредством ряда химических превращений совершает круговой процесс при неизменных температуре и объёме или при неизменных температуре и давлении, то алгебраическая сумма тепловых эффектов должна быть равна нулю.

В качестве примера рассмотрим следующую задачу.

1. Определить тепловой эффект реакции неполного сгорания углерода при постоянном давлении

, (неполное окисление углерода)

если известны тепловые эффекты при =760 мм рт. ст. = 101325 Па и t=25оС двух других реакций:

— полное окисление углерода;

— полное окисление окиси углерода.

На основании закона Гесса можно написать:

, так как в данном случае имеет место изобарно-изотермический круговой процесс. Отсюда получаем

При определении параметров продуктов химической реакции, представляющих смесь различных газов (компонентов), используют следующие законы:

— Дальтона (давление смеси р равно сумме парциальных давлений её компонентов)

, где п – количество компонентов в смеси газа; (5)

— Амага (объём смеси V равен сумме парциальных объёмов её компонентов)

(6)

— уравнение состояния для идеального газа

, (7)

где т – масса газа, кг; R – газовая постоянная, .

Для газа массой 1 кг это уравнение принимает вид:

(8)

где — удельный объём, . Величина, обратная удельному объёму, называется плотностью .

Состав смеси задаётся объёмными (молярными) или массовыми долями.

Объёмной долей называют отношение парциального объёма компонента к объёму смеси:

(9)

Отсюда получаем, что сумма объёмных долей компонентов смеси равна единице:

(10)

Массовой долей называют отношение массы компонента к массе смеси:

(11)

Отсюда получаем, что сумма массовых долей компонентов смеси равна единице:

(12)

Пересчёт объёмных долей в массовые и обратно производится на основании закона Авогадро (отношение объёмов компонентов в смеси равно отношению количества молекул этих компонентов):

а) известны массовые доли компонентов, необходимо определить их объёмные доли

, где — молярная масса компонента; (13)

б) известны объёмные доли компонентов, необходимо определить их массовые доли

(14)

Если известны объёмные доли компонентов смеси, то её молярная масса находится по формуле:

(15)

Газовая постоянная для каждого из компонентов смеси определяется формулой:

, где 8314.4 — универсальная газовая (16)

Газовая постоянная смеси рассчитывается по одной из формул:

(17)

Парциальное давление компонентов смеси рассчитывается из условия, что температура каждого компонента равна температуре смеси Тсм:

(18)

В качестве примера рассмотрим следующие задачи:

Задача 1. Атмосферный воздух содержит приблизительно 23 % (по массе) кислорода О2 (молярная масса ) и 77 % азота (молярная масса

). Каковы в процентах объёмные доли газов?

а) для кислорода

б) для азота

или

Задача 2. Чему равна молярная масса воздуха при условиях, указанных в задаче 1?

Задача 3. Продукты сгорания керосина в авиационном ГТД имеют следующий состав в массовых долях:

Определить газовую постоянную и плотность продуктов сгорания, а также парциальное давление отдельных газов, если .

1. Находим молярные массы компонентов смеси, используя их химические формулы:

2. Определяем газовые постоянные компонентов смеси;

3. Находим газовую постоянную смеси газов – продуктов сгорания

4. Из уравнения состояния для 1 кг смеси газов определяем плотность

5. Рассчитывается молярная масса смеси газов

6. Определяется парциальное давление компонентов, составляющих смесь:

Задача 4. Давление в баллонах кислородной системы самолета р1=4 МПа, температура кислорода t=20оС. Определить:

— массу кислорода в баллонах, если их суммарный объём равен V=48 л.;

— какое количество кислорода надо заправить в баллоны, чтобы повысить его давление до 15 МПа.

1. Из уравнения состояния находим массу кислорода в баллонах:

,

где — газовая постоянная для кислорода;

:

— абсолютная температура.

2. Из уравнения состояния, написанного для исходной массы и для требуемой, получаем

Задача 1. Определить тепловой эффект следующей реакции получения водорода:

,

если известны тепловые эффекты образования реагирующих веществ:

— углекислого газа ;

— водяного пара ;

— метана .

Буквой (г) обозначены агрегатные состояния реагирующих веществ.

Задача 2. Продукты сгорания керосина в авиационном ГТД имеют следующий состав в массовых долях:

Определить газовую постоянную и плотность продуктов сгорания, а также парциальное давление отдельных газов, если .

3. Контрольные вопросы для зачета по практическому занятию № 1

1. Уравнение состояния идеального газа для 1 кг газообразного вещества, где оно было использовано?

2. Дайте определение процесса горения.

3. Напишите и поясните уравнение первого закона термодинамики для изохорно-изотермической химической реакции.

4. Напишите и поясните уравнение первого закона термодинамики для изобарно-изотермической химической реакции.

5. Дайте формулировку закона Гесса и пример его использования.

Отчёт о работе должен содержать:

— условия задач №1 и №2;

— алгоритм решения задач;

— результаты решения задач.

Практическое занятие № 2

Тема: «Определение теплоты сгорания углеводородных топлив»

1. Основные сведения.

Топливом называют горючие вещества, применяемые для получения при их сжигании тепловой энергии; основная составная часть – углерод С. Топливо для авиационных двигателей может быть в виде жидкости или газа

Практически все жидкие топлива пока получают путём переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300…370оС, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре tк: сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15 %, tк=30…180оС), керосиновую (около 17%, tк=120…135оС), дизельную (около 18%, tк=180…350оС). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330…350оС называется мазутом. Указанные фракции служат исходным сырьём для получения смазочных материалов и топлив для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей – бензина, керосина, дизельных топлив и т. д.

Сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти согласно ГОСТ с изменениями от 01.03.84 г. и 01.07.86 г., выпускают в виде технического пропана (не менее 93% , технического бутана (не менее 93% и их смеси. Температура конденсации пропана при атмосферном давлении равна – 44.5оС, а бутана +5оС; соответственно

при 20оС давление паров пропана составляет около 0.8, а бутана – около 0.2 МПа. Поэтому эти газы транспортируют в жидком виде в баллонах под небольшим давлением (менее 2 МПа).

К газообразным топливам относится прежде всего природный газ, основным компонентом которого является метан (около 95 %), кроме того в газе различных месторождений содержатся небольшие количества азота , высших углеводородов , диоксида углерода . При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий 40…80% метана и других более тяжелых углеводородов. Из такого газа можно получать бензин или широкую фракцию легких углеводородов. Последняя является сырьём для получения пропанбутановой фракции (40%) и конденсированного топлива (60%), называемого АСКТ.

АСКТ представляет собой смесь предельных углеводородов от этана (0…2%), пропана (10…20%), бутана (40…50%), пентана (40…50%) и гексана (10…15%). Отличительной особенностью АСКТ является отсутствие метана в связи с его низкой температурой кипения (-161оС), низкой критической температурой (-82.6оС), а также высоким давлением насыщенных паров (при температурах от -60оС до +40оС). Такие свойства жидкого метана потребуют необходимость создания для баков, арматуры и коммуникаций топливных магистралей новых хладостойких и более прочных конструкционных и уплотнительных материалов, а также высококачественной низкотемпературной теплоизоляции, предотвращающей быстрое выкипание метана и обледенение конструкции.

Под теплотой сгорания понимается количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы топлива. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива обычно относят к 1 кг, а газообразного – к 1 м3 (в нормальных условиях: температура 0оС, давление 760 мм рт. ст.=1.01325) рабочей, сухой или горючей массы топлива. По ГОСТ 147-74 с изменениями от 01.01.2001 г. и 01.01.1985 теплота сгорания определяется в так называемой калометрической бомбе, представляющей собой металлический стакан, в который помещается проба топлива (около 1г) и нагнетается кислород давлением около 3 МПа. Сосуд помещается в заполненный водой комнатной температуры калориметр, при помощи которого определяется количество выделяющейся при сгорании теплоты.

Продукты сгорания пробы топлива остаются в калометрической бомбе и охлаждаются в ней до комнатной температуры. При этом вода, образующаяся при сгорании водорода и содержащаяся во влажном топливе, оказывается в жидком виде. Если в результате сгорания вода получается в виде жидкости, теплота сгорания называется высшей — .

В технических устройствах вода обычно выбрасывается вместе с продуктами сгорания в виде пара. Если в результате сгорания вода получается в виде пара, теплота сгорания называется низшей — . Она меньше, чем , на количество затрат теплоты на испарение. В Российской Федерации и ряде других стан обычно оперируют низшей теплотой сгорания на рабочее состояние . В США и Великобритании теплотехнические расчёты выполняют на основе высшей теплоты сгорания.

Процесс сгорания углеводородных топлив заключается в распаде составляющих его сложных соединений на простые молекулы и группы атомов и в окислении входящих в их состав углерода и водорода кислородом воздуха.

Высшая теплота сгорания может быть определена по формуле

(1)

где — содержание углерода в топливе в процентах; — содержание водорода в топливе в процентах; — содержание кислорода в топливе в процентах;

— содержание серы в топливе в процентах.

Например, для нормального топлива – авиационного керосина: . Кислород и сера в топливе отсутствуют. Тогда

так как

Низшая теплота сгорания топлива находится по формуле:

(2)

где — количество водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания 1 кг топлива. Например, при сгорании 1 кг водорода в камере сгорания авиационных двигателей образуется 9 кг водяного пара , поэтому для нормального топлива находим количество пара . Отсюда для данного топлива имеем: .

При наличии кислорода и серы (в зависимости от месторождения нефти) авиационные керосины марки ТС-1 и РТ имеют .

В случае задания химической формулы углеводородного топлива доля углерода и водорода определяется в зависимости от молярной массы С и Н.

Например, метан, химическая формула . Молярная масса углерода 12 , а водорода в данном топливе равна 4 . Отсюда молярная масса метана равна 12 + 4 =16 ; доля углерода в метане составляет (75 %), а доля водорода, соответственно 0%).

Высшая теплота сгорания метана может быть определена по формуле:

а низшая теплота сгорания метана равна

Отклонение от значения, приведенного в таблице 1, составляет

2. Порядок выполнения работы.

1. Задается вид топлива из таблицы 1.

2. Определяется атомная масса газа и доли углерода и водорода в топливе.

3. Рассчитывается газовая постоянная по формуле:

, где — масса одного киломоля газа,;

— универсальная газовая постоянная.

4. Определяются высшая и низшая теплота сгорания топлива.

5. Производится оценка содержания примесей в топливе на основе величины отношения табличной величины к найденному значению .

3. Контрольные вопросы к практическому занятию № 2

1. Укажите состав и основные характеристики газообразного топлива.

2. Укажите состав и основные характеристики жидкого топлива.

3. Что называется теплотой сгорания топлива?

4. Напишите и поясните формулу Менделеева Дмитрия Ивановича для определения теплоты сгорания топлива.

4. Оформление отчёта:

1. Основные характеристики заданного топлива.

2. Алгоритм и результаты расчета высшей и низшей теплоты сгорания топлива.

Теплофизические свойства газовых топлив, авиакеросина ТС-1

ГОРЕНИЕ И ОКИСЛЕНИЕ

|/ак идёт горение в примусе и керосинке. Наиболее яр — ким примером химических реакций, идущих при уча­стии кислорода воздуха, является горение — тот процесс, с помощью которого мы получаем тепло и свет. Какое бы

Топливо мы ни сжигали — уголь или дрова, керосин или бензии, спирт или светильный газ — главная химическая реакция при горении их одна и та же: углерод и водород, входящие в состав молекул топлива, соединяются с кис­лородом воздуха и образуют углекислоту и воду. Общеиз­вестно, что керосинка даёт жёлтое, светящее пламя, а при­мус — голубое или фиолетовое, почти не светящее пламя. В обоих случаях топливо одно и то же — керосин. По­чему же это происходит?

Керосин — это смесь различных углеводородов, соеди­нений углерода с водородом. Для примера возьмём один из углеводородов керосина — нонан, имеющий состав СуНго. При горении нонан соединяется с кислородом и об­разуются углекислота и вода. Начальное и конечное со­стояния этого процесса можно изобразить химическим уравнением:

С9Н20 + 1402 — 9 С02 + 10 Н20 (пар) + теплота,

Написав такое уравнение, мы допустили, что углеводород сгорает полностью. Это и происходит в исправном примусе. В примусе керосин поступает в горелку под давлением. Испаряясь в нагретой горелке й вырываясь сильной струёй через форсунку, керосин хорошо перемешивается с воз­духом. Смесь получается настолько богатой кислородом, что керосин сгорает полностью. Кроме того, пары керо­сина, проходя через раскалённую часть горелки, не только нагреваются, но и химически изменяются: сложные моле­кулы углеводородов при температуре 400—500 градусов распадаются на более простые, сгорающие легче. Этот распад обычно сопровождается выделением небольшого количества твёрдого углерода — кокса; кокс постепенно засоряет горелку, поэтому время от времени её нужно «прожигать».

Мы знаем, что керосинка всегда даёт копоть или сажу, то-есть очень мелкие частицы угля. Значит, в керосинке идёт неполное сгорание керосина. Керосин испаряется с поверхности фитиля и только тут смешивается с возду­хом. Количество воздуха внутри пламени оказывается не­достаточным. Поэтому и образуются мельчайшие раска­лённые частички угля, от которых ярко светится пламя.

Почему дрова и каменный уголь, сгорая, дают пламя, а древесный уголь горит без пламени? Различные виды твёрдого топлива сгорают по-разному: дрова и каменный

Уголь образуют при горении пламя, а древесный уголь пламени не даёт. Какова же разница между ними?

Древесная масса и каменный уголь — смеси сложных веществ, богатых углеродом. Они содержат также кисло­род и водород. При нагревании дров и каменного угля сложные вещества расщепляются на более простые и в то же время более летучие вещества. Эти вещества, сго­рая, и образуют пламя. Дрова дают большее пламя, чем каменный уголь: они образуют больше летучих веществ.

Древесный же уголь получают неполным сожжением дерева. Хороший древесный уголь — это почти чистый уг­лерод; к нему примешаны только минеральные — вещества, дающие после сгорания золу. Поэтому древесный уголь не образует летучих продуктов и горит без пламени.

Все жидкие вещества и горючие газы, разлагающиеся при высокой температуре с выделением летучих продук­тов, при горении образуют пламя. Твёрдые вещества, не способные давать летучие продукты разложения, горят без пламени. При неполном горении всегда образуется дым, состоящий из твёрдых частичек несгоревшего угля и газообразных продуктов горения — окиси углерода, уг­лекислоты, водяных паров.

Почему керосиновая лампа коптит, а рано закрытая печка даёт угар. Мы можем управлять химическими реакциями, заставлять их протекать нужным нам обра­зом. Примеры этому легко найти в нашем быту.

Керосиновая лампа стала коптить. Ясно, что если вы­деляется копоть, горение идёт не полно. Мы убавили фи­тиль — копоть перестала образовываться. Почему? По­тому, что мы изменили условия горения. Убавив фитиль, мы уменьшили скорость испарения керосина. Количество же поступающего в лампу воздуха осталось прежним. Поэтому горение стало более полным.

А почему рано закрытая печь даёт угар? — Потому, что нарушается режим горения и вместо одной реакции идёт другая. При недостатке воздуха, поступающего в печь, горение идёт не до конца: вместо углекислоты, СО2, обра­зуется окись углерода или, как её иначе называют, угар­ный газ СО. Угарный газ невидим, так как, в отличие от дыма, он не содержит твёрдых частиц. Он очень ядовит.

Окись углерода образуется и при открытой трубе, но так как приток кислорода в печь достаточный, она сгорает и образует углекислоту, уходящую в трубу
(рис. 7, А). При закрытой же трубе продукты горения вы­ходят через печную дверцу в помещение. Если в печи осталось слишком много раскаленного угля, то притока воздуха хватает только на образование окиси углерода и в комнате появляется угар (рис. 7, £).

Рис. 7. А нормальное горение при открытой трубе; Б — образование угар­ного газа при большом количестве угля и закрытой трубе.

Эти простые примеры показывают, что, изменяя со­отношения между количествами реагирующих веществ, можно управлять хи­мической реакцией.

Чем отличается горение в печи от го­рения в живом орга­низме? В печке сго­рает топливо. Для организма топливом служит пища. И в организме и в печке углеродистые веще­ства сгорают, пре­вращаясь в углеки­слоту и в воду.

В этом — сходство.

Разница же состоит в том, что в печке горение происходит при высокой тем­пературе, а в живом организме — при низкой и значи­тельно медленнее.

В печах, особенно промышленного типа — доменных, стекольных и др., температура превышает 1000 градусов. Тело человека имеет в среднем температуру 36,6 градуса. Химики установили, что повышение температуры на 10 градусов почти удваивает скорость реакции. Значит, го­рение в печи идёт во много раз быстрее, чем в организме.

Однако дело не только в этом. При высокой темпера­туре реакция может протекать совсем иным путём. При 1000 градусов некоторая часть молекул кислорода (около 1,5 процента) распадается на атомы: 02^20. Значит, горение при высоких температурах можно объяснить тем, что с топливом вступают в реакцию свободные атомы кислорода, число которых по мере их расходования по­полняется путём распада, диссоциации, новых молекул кислорода. Но в живых организмах молекулы кислорода не могут распадаться на атомы. Каким же образом происходит горение в организмах?

Общую теорию таких процессов разработал в конце прошлого столетия русский академик А. Н. Бах. Рядом опытов с простыми углеродистыми соединениями и с ве­ществами, содержащимися в животных и растительных организмах, А. Н. Бах доказал, что при обыкновенной тем­пературе к молекулам этих веществ присоединяются це­лые молекулы кислорода. При этом образуются такие со­единения, которые способны окислять другие вещества так же легко, как и атомарный кислород. Эти соединения, на­зываемые перекисями, являются промежуточными продуктами окисления.

Как же построены молекулы перекисей и какими свой­ствами они обладают?

Познакомимся сначала с простейшей перекисью — пе­рекисью водорода Н202. Строение её изображается фор­мулой Н—О—О—Н. Перекись водорода неустойчива, при хранении она медленно разлагается на воду и кислород: Н202=Н20+0. Значит, один из атомов кислорода в пере­киси «подвижен»,«активен». Поэтому перекись водорода является хорошим окислителем.

В организмах животных и растений перекиси водорода нет, но с группой атомов —О—О—, характерной для пе­рекисей, могут быть связаны атомы углерода органиче­ских соединений. Такие перекиси называют переки­сями органических соединений, и они обна­ружены в живых организмах. Им-то и принадлежит та исключительная роль в процессах медленного окисления в организме, на которую указал А. Н. Бах.

В организмах животных окисление пищевых материа­лов происходит в крови. В красных кровяных тельцах на­ходится сложное белковое вещество, гемоглобин, окрашивающий кровь в красный цвет. В состав гемогло­бина входит железо, придающее ему способность соеди­няться с кислородом. При дыхании гемоглобин окисляется (в лёгких) и превращается в оксигемоглобин. Сам оксигемоглобин не является настоящей перекисью, так как он отдаёт весь присоединённый кислород, а не половину, как это делают истинные перекиси. Но он легко превра­щает в перекиси некоторые пищевые вещества, попадаю­щие в кровь, отдавая им свой кислород, и вновь переходит в гемоглобин. Кислород расходуется на окисление пище­вых материалов, на выработку энергии, необходимой для поддержания жизни.

Есть ли разница между горением и окислением? По

Сходству с горением топлива естественно считать горением все химические процессы, протекающие с выделением тепла и света. Слово «горение» описывает внешние при­знаки и только одну сторону химической реакции — превращение химической энергии в тепловую и световую.

Но для химика описания только этой стороны реакции недостаточно. Он хочет знать, что происходит с каждым из атомов, входящих в состав вещества, как эти атомы из­меняются во время реакции. И вот если с этой сто­роны посмотреть на реакции, происходящие при горении, то оказывается, что всегда какой-либо из атомов сгораю­щей молекулы увеличивает свою положительную валент­ность. Например, при сгорании СО в С02 положительная валентность углерода возрастает с 2 до 4, так как атом углерода оказывается связанным уже не с одним, а с двумя атомами кислорода. Углерод при горении окисля­ется. Поэтому мы называем окислением реакцию, в которой како й-л ибо элемент увеличи­вает свою положительную валентность.

А что делается при окислении с самим окисляющим веществом? В нашем примере окисляющим веществом служит кислород воздуха, простое вещество, которому мы условились (стр. 22) приписывать до реакции нулевую ва­лентность. Входя в состав молекулы СОг, атом кислорода становится двухвалентным отрицательным. Реакцию, в которой атом каког о-л ибо элемента уве­личивает свою отрицательную валент­ность, называют восстановлением. Следо­вательно, кислород воздуха, окисляя углерод СО, сам при этом восстанавливается. Из нашею примера мы ви­дим, чго окисление и восстановление—два процесса — близнеца: они всегда сопровождают друг друга и невоз­можны один без другого.

Всякое ли окисление протекает как горение? Железо, окисляясь, ржавеет. Но разве мы можем сказать, что при этом железо горит. Конечно, нет. Разве в живом орга­низме окисление сопровождается выделением света? — Нет, происходит только выделение тепла. Значит, окисле­ние не всегда сопровождается горением. Но, как правило, все процессы горения являются окислением.

Могут ли горение и окисление происходить без кисло­рода? Окисляемый атом вовсе не обязательно должен отдавать свои валентные электроны именно атому кисло­рода. Очень легко это происходит и с другими элементами. Вернёмся к опыту, описанному на стр. 12. Железо, кото­рое мы погружаем в раствор медного купороса,— простое вещество с нулевой валентностью. Железо активнее меди и вытесняет из раствора медь. В этой реакции вытеснения атом железа отдаёт атому меди 2 электрона и сам приоб­ретает валентность + 2. Значит, и здесь железо окис­ляется! Атом же меди, забрав у атома железа 2 электрона, изменяет валентность с + 2 до нуля, восстанавливается.

Точно так же можно рассмотреть и реакцию между се­рой и железом (стр. 9). Оба они — простые вещества с нулевой валентностью. После реакции валентность же­леза + 2, а серы — 2, следовательно, железо окислилось, а сера восстановилась. Вспомним, что реакция между се­рой и железом сопровождается выделением тепла и света, то-есть горением, хотя кислород в ней и не участвует. Зна­чит, не только окисление, но и горение может происходить без участия кислорода.

Почему железо ржавеет, а золото и серебро — нет? Из всех металлов наиболее широко используется в технике и в быту железо. Большим недостатком железа служит то, что оно легко соединяется с кислородом воздуха и водой, ржавеет. Так как ржавчина непрочно связана с поверхно­стью металла, она легко стирается, распыляется, при­водя к большим потерям металла. Ржавление и подоб­ные ему процессы разрушения металлов называют кор — роз и е й.

Подсчитано, что в результате коррозии во всём мире ежегодно теряется больше 30 миллионов тонн металлов. Это настоящее бедствие. Поэтому химики и физики упорно работают над вопросами борьбы с коррозией.

Ржавчина — это смесь водной закиси железа Ре (ОН)г, окиси железа Ре203, окалины Ре304 и некоторых других веществ. То, что железо окисляется уже при низкой тем­пературе, объясняется его значительной химической ак­тивностью.

Другое дело — серебро, золото, платина и другие бла­городные металлы. Их активность очень мала. Ядра их атомов цепко удерживают валентные электроны и поэтому трудно окисляются. Соединения этих металлов непрочны, они легко распадаются с выделением свободных метал­лов. Хлористое и бромистое серебро, например, разла­гается на свету. На этой реакции основана вся фотокино­промышленность [23]).

Неустойчивость солей серебра можно доказать инте­ресным опытом. Подогреем в стаканчике нашатырный спирт (это — водный раствор аммиака) до 50—60 граду­сов и нальём в него при перемешивании несколько капель раствора ляписа (азотнокислого серебра). Затем добавим несколько капель формалина или раствора виноградного сахара — глюкозы. Через несколько минут на стенках ста­канчика образуется серебряное зеркало, а в растворе по­явится тёмная муть. Формалин или глюкоза восстанавли­вают серебро из его соли. Эта реакция используется для изготовления зеркал.

Итак, мы познакомились с составом воздуха и отме­тили особую роль кислорода в природе, которую ему обес­печивает его большая химическая активность. Но очень многие реакции с участием кислорода шли бы совсем иначе, а некоторые — не были бы даже возможны, если бы на помощь кислороду при его воздействии на другие вещества не приходила вода. Вода, подобно кислороду, играет в природе громадную роль и обладает многими очень важными свойствами. Их мы и рассмотрим в сле­дующем разделе.