Стехиометрические уравнения сгорания компонентов топлива

Беседы о ракетных двигателях

Просто о том, что кажется сложным

Урок 02. Определение параметров топлива (ч.1)

Здравствуйте!

В сегодняшнем уроке мы узнаем, как определить стехиометрическое соотношение компонентов и записать условную химическую формулу топлива.

Во-первых, давайте вспомним, что же это такое – стехиометрическое соотношение компонентов топлива. Оказывается, топливо может гореть по-разному. Причем не нужно воспринимать это горение как обычное горение дров в камине, где в качестве окислителя выступает кислород воздуха. Горение топлива в камере ракетного двигателя – это, в первую очередь, химическая реакция окисления с выделением тепла. А протекание химических реакций существенно зависит от того, сколько вещества вступает в реакцию. Если взять 1 кг какого-нибудь горючего и заставить его взаимодействовать с очень большим количеством окислителя, то после того, как этот 1 кг горючего закончится, химическая реакция горения прекратится, потому что окислителю просто нечего будет окислять.

Вопрос на засыпку.
На защите курсового проекта у студента спрашивают: что произойдёт с горючим, впрыскиваемым через пояс завесного охлаждения перед критическим сечением камеры? Распространённый ответ: оно сгорит. Это неверно. Ему не с чем там гореть. Весь окислитель уже прореагировал в камере сгорания. Горючее испарится, может разложиться, но сгореть не может.

Значит, для каждой топливной пары существует вполне определённое соотношение между количеством окислителя и горючего, при котором они взаимодействуют друг с другом без остатка. Именно такое соотношение называют стехиометрическим.

Количество компонента можно задать объёмом или массой. При расчёте топлив больше распространено массовое соотношение компонентов K_m (индекс m как раз и указывает на это). Для обозначения стехиометрического соотношения добавляют индекс 0, т.е. – K_m0. Каждая топливная пара имеет вполне определённое K_m0. Его можно найти в справочной литературе. Однако в учебно-познавательных целях давайте рассмотрим, как его можно вычислить.

Значение K_m0 зависит от валентности, которую могут проявлять химические элементы в теоретической форме уравнения химической реакции

Ну начинается – скажете Вы – опять формулы. Ну, куда же без них. На самом деле, если разобраться, то как бы и ничего сложного:
μ_ок и μ_г – молекулярные массы окислителя и горючего (мы их уже считали в прошлом уроке);
b_i – число грамм-атомов химического элемента в веществе, т.е. фактически количество атомов в химической формуле (грамм-атом – устаревшая единица измерения количества вещества);
ν_i – валентность элемента (ν_H = +1, ν_C = +4, ν_N = 0, ν_O = -2).

Возьмём топливную пару НДМГ + АТ и вычислим для неё K_m0. Молекулярную массу НДМГ и АТ мы уже считали:

μ_(C2N2H8) = 12·2 + 14·2 + 1·8 = 60 а.е.м.
μ_(N2O4) = 14·2 + 16·4 = 92 а.е.м.

Количество атомов и валентности элементов известны. Подставляем в формулу

Но это наиболее общая формула. Она годится для любых веществ, но неудобна, если компонент представляет собой смесь. Придётся дополнительно определять его условную химическую формулу чтобы узнать b_i.

Для определения K_m0 при сгорании углеводородных топлив в учебнике Штехера, например, предлагается использовать более практичную формулу (для веществ, содержащих только C, H, N, O)

Найдём стехиометрическое соотношение компонентов для той же топливной пары НДМГ + АТ, но по другой формуле.

Массовые доли элементов в НДМГ были найдены в прошлом уроке g_C = 0,400, g_N = 0,467, g_H = 0,133.
Для азотного тетраоксида g_N = 0,304, g_O = 0,696 (предлагаю Вам посчитать их самостоятельно).

Вроде бы сошлось. 🙂

Если Вам всё же больше нравится первый вариант, то компонент нужно представить в виде условной химической формулы. При этом задаться условной молекулярной массой смеси (например, μ = 100 а.е.м.).

Количество атомов в формуле можно определить так:

Определим условную химическую формулу АК-20, рассмотренного в прошлом уроке.
Массовые доли g_H = 0,013, g_N = 0,239, g_O = 0,749.

Получить условную химическую формулу топлива можно тем же способом.

Для определения массовых долей компонентов в топливе в целом нужно знать действительное соотношение компонентов K_m. Прежде чем его вычислить, скажем несколько слов о такой величине, как коэффициент избытка окислителя α_ок.

Несмотря на то, что казалось бы сжигать компоненты при стехиометрии наиболее выгодно, по ряду причин реальные ЖРД обычно работают с некоторым избытком горючего (рассказ о причинах займёт довольно много времени, возможно этому вопросу будет посвящена отдельная статья в Базе знаний). Для различия между стехиометрическим и действительным соотношением компонентов топлива и вводится α_ок.

Зависимость крайне проста

Коэффициент может принимать любые положительные значения. Если α_ок = 1, K_m = K_m0, при α_ок 1 – избыток окислителя.

Узнать наперед какое значение α_ок лучше выбрать, очень сложно. Поэтому им либо задаются из диапазона рекомендуемых значений, либо проводят серию тепловых расчетов при разных α_ок, а затем выбирают оптимальное, например, из условия максимума скорости истечения продуктов сгорания на срезе сопла.

Зная значение коэффициента избытка окислителя, можно определить массовый состав топлива:

Определим массовый состав топливной пары НДМГ + АТ при α_ок = 0,91 и запишем её условную химическую формулу.

Значение K_m0 получено в примерах выше. Массовые доли химических элементов в компонентах тоже уже известны.

Количество атомов в условной химической формуле

На этом всё. Надеюсь, урок был полезным. В следующий раз поговорим об энтальпии топлива и плотности смесей.

Реакции горения газа. Стехиометрическое соотношение. Коэффициент избытка воздуха

Горение — быстропротекающая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания. Реакции горения описываются т.н. стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате ее вещества(Стехиометрический состав горючей смеси (от греч. stoicheion — основа, элемент и греч. metreo — измеряю) — состав смеси, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления топлива).

Высокотемпературное горение углеводородов имеет весьма сложный характер и связано с образованием активных частиц в виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений, поэтому для описания процесса горения, как химической реакции, используют общее уравнение реакции горения углеводородов.

Общее уравнение реакции горения любого углеводорода:

где m, n — число атомов углерода и водорода в молекуле; Q — тепловой эффект реакции, или теплота сгорания. Тепловой эффект (теплота сгорания) Q — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м 3 газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Q_в и низшую Q_н теплоту сгорания: высшая теплота сгорания включает в себя теплоту конденсации водяных паров в процессе горения (в реальности при сжигании газа водяные пары не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания). Обычно технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, без учета теплоты конденсации водяных паров (около 2400 кДж/кг).

Для инициирования реакций горения нужны условия воспламенения смеси топлива с окислителем. Воспламенение может быть самопроизвольным и вынужденным (зажигание).

Температура самовоспламенения — минимальная температура, при которой в нагретой газовоздушной смеси начинается самопроизвольный (т. е. без внешнего подвода теплоты) процесс горения, за счет выделения теплоты горящими частицами газа.

Температура самовоспламенения не является фиксированной для данного газа и зависит от многих параметров: его содержания в газовоздушной смеси, степени однородности смеси, формы и размеров сосуда, в котором смесь нагревается, быстроты и способа ее нагрева, каталитического влияния стенок сосуда, давления, под которым находится смесь. Точный учет перечисленных факторов весьма сложен, поэтому на практике, например, при оценке взрывоопасности, пользуются экспериментальными данными.

Пределы воспламеняемости и взрываемости. Коэффициент избытка воздуха. Стехиометрические соотношения.

Газовоздушные смеси могут воспламеняться (взрываться) только тогда, когда содержание газа в смеси находится в определенных (для каждого газа) пределах. В связи с этим различают нижний и верхний концентрационные пределы воспламеняемости.

Нижний предел соответствует минимальному, а верхний — максимальному количеству газа в смеси, при которых происходит воспламенение (при зажигании) и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени (самовоспламенение). Эти же пределы соответствуют и условиям взрываемости газовоздушных смесей.

Если содержание газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Если содержание газа в смеси находится между нижним и верхним пределами воспламеняемости, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является взрывоопасной. Чем шире будет диапазон пределов воспламеняемости (называемых также пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. И, наконец, если содержание газа в смеси превышает верхний предел воспламеняемости, то количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа.

Существование пределов воспламеняемости вызывается тепловыми потерями при горении. При разбавлении горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается, и горение прекращается после удаления источника зажигания.

Пределы воспламеняемости сложных горючих газов, не содержащих балластных примесей, определяются по правилу аддитивности:

где L_г — нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа в газовоздушной или газокислородной смеси, об. %; r₁, r₂, …, r_n — содержание отдельных компонентов в сложном газе, об. %; r₁ + r₂ + … + r_n = 100%; l₁, l₂, …, l_n — нижние или верхние пределы воспламеняемости отдельных компонентов в газовоздушной.

При наличии в газе балластных примесей пределы воспламеняемости могут быть определены по формуле

где L_Б — верхний и нижний пределы воспламеняемости смеси с балластными примесями, об. %; L_г — верхний и нижний пределы воспламеняемости горючей смеси, об. %; Б — количество балластных примесей, доли единицы.

При расчетах часто необходимо знать коэффициент избытка воздуха α при разных пределах воспламеняемости а также давление, возникающее при взрыве газовоздушной смеси. Коэффициент избытка воздуха, соответствующий верхнему или нижнему пределам воспламеняемости, можно определить по формуле:

где V_т — теоретический расход воздуха, м 3 /м 3 .

Реакции, которых коэффициент избытка воздуха, равен единице, называются стехиометрическими.

Основы теории горения топлива

Процессом горения называется реакция соединения вещества с кислородом, сопровождающаяся интенсивным тепловыделением.

В результате процесса горения скрытая химическая энергия топлива переходит в тепловую энергию. Для успешного проведения процесса горения необходимо создать определенные условия.

Горение топлива производится в атмосферном воздухе, который содержит;

— в объемном соотношении — 21 % 02 и — 79 % Ы2 (включая ряд других газов и примесей);

— в весовом соотношении 23,2 % 02 и 76,8 % И2.

Поэтому в продуктах сгорания всегда присутствует азот, а при горении топлива с избытком воздуха — кислород.

Стехиометрические уравнения реакций горения топлива

В процессе горения принимают участие только горючие составные части топлива. При этом происходят следующие химические процессы;

1) Реакция горения углерода;

» title=»Основы теории горения топлива» align=»left» width=»22″ height=»23″ style=»margin-left:3px;margin-right:-3px» />

2) Реакция горения водорода;

3) Реакция горения серы;

Аналогичные молярные, весовые а так же объемные соотношения можно написать для реакций горения остальных горючих элементов

Приведенные стехиометрические уравнения являются итоговым результатом и не отражают всей сложности механизма реакции горения.

Горение топлива может быть полным — с образованием негорючих продуктов (С02, Н20 и Б02) и неполным, когда в составе продуктов сгорания присутствуют СО, СН4, Н2 и углеводороды СтНп.

Обычно показателем неполного сгорания топлива является присутствие в продуктах сгорания топлива окиси углерода — СО.

Теоретическое и действительное количество воздуха:

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг топлива, может быть рассчитано из стехиометрических уравнений горения.

Количество кислорода, необходимое для сгорания 1 кг мазута, за вычетом кислорода, содержащегося в самом топливе, определяется по формуле;

¥0 = 1,866 — + 0,7 — + 5,6 Н

2 ‘ 100 ‘ 100 ‘ 100 100р0г

Учитывая, что в воздухе содержится -21 % кислорода, получим теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг мазута;

V0 = -°^ = 0,0889 Ср + 0,375Бр)+ 0,265Нр -0,03330р

Обычно величина V0 может быть оценена с достаточной точностью по эмпирической формуле;

Действительное количество воздуха, необходимого для сжигания 1кг топлива, всегда больше теоретического. Отношение действительного подведенного количества воздуха к теоретически необходимому для сжигания топлива называется коэффициентом избытка воздуха;

На практике это значение может достигать;

— для главных котлов — а = 1,1 ^ 1,2

— для современных котлоагрегатов — а = 1,03 ^ 1,05

— для вспомогательных котлов — а = 1,2 ^ 2,0

Коэффициент избытка воздуха зависит от ряда факторов; совершенства организации топочного процесса, аэродинамических характеристик топки, качества распыливания топлива, рода топлива и т. д.

Снижение коэффициента избытка воздуха всегда приводит к неполноте сгорания топлива, что в свою очередь способствует уносу частичек топлива вместе с дымовыми газами и снижает КПД котла. Повышение ^ приводит к затратам тепла (и топлива) на нагревание «лишнего» воздуха, поступающего в топку котла и также снижает КПД котлоагрегата.

Внешними признаками качественного горения топлива являются;

— оптимальное для данной нагрузки котла соотношение «топливо — воздух» при бездымном горении;

— равномерное горение без взрывов, хлопков, вибраций фронта котла;

— отсутствие в дымовых газах СО и соответствие значения С02 значению в формуляре котла;

— отсутствие коксования топлива на кирпичной кладке и поверхностях нагрева;

— отсутствие догорания топлива в газоходах.

Оценка качества горения только по отсутствию дымления может привести к грубым ошибкам, так как бездымное горение может быть реализовано в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха от 1,2 до 2 и более. Косвенно судить о качестве процесса горения можно по цвету пламени. При нормальном горении топлива цвет факела должен быть яркого соломенно-желтого или светло-оранжевого цвета. Красный или темно-оранжевый цвет факела с появляющимися темными полосами и черным дымом из дымовой трубы говорит о низком значении коэффициента избытка воздуха, ярко-белый цвет факела с отдельными искрами и появлением белого дыма из дымовой трубы означает избыток подаваемого воздуха.

При теплотехнических испытаниях котла, проводимых с целью определения его показателей, всегда определяют коэффициент избытка воздуха по результатам анализа дымовых газов. При этом обычно пользуются следующими формулами;

TOC o «1-5» h z 1 21,8 1

А =___________ ___ ____ _____ а=——————— —— • а =

(Я02 + 02)-СО ’ 2 2 21И2

где; ^О2, О2, СО, Ы2 — процентные содержания соответственно;

Трехатомных газов (Я02, С02 и аналогичных), кислорода, окиси углерода и азота в продуктах сгорания, определяемые с помощью газоанализаторов при работе котла. Определение суммарной концентрации трехатомных газов происходит из-за того, что газоанализатор не может определять концентрации этих газов по отдельности, а показывает суммарную их концентрацию.

Для определения коэффициента избытка воздуха по последней формуле необходимо сначала определить содержание в сухих газах ЯО2 и О2, а содержание N находят как N = 100

При эксплуатации котла для определения коэффициента избытка воздуха можно пользоваться приближенной формулой;

Энтальпия продуктов сгорания.

В топке парового котла при сжигании топлива выделяется тепло, которое передается продуктам сгорания и идет на повышение их температуры. При движении продуктов сгорания через поверхности нагрева происходит процесс передачи тепла от газов к воде и пару. При этом температура продуктов сгорания уменьшается.

Тепловое состояние продуктов сгорания характеризуется их энтальпией, которая является основным параметром тепловых эффектов в процессах подвода и отвода теплоты.

Энтальпией продуктов сгорания называется количество теплоты, необходимое для нагревания продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 кг топлива, от 0 °С до заданной температуры — t.

Количество тепла, полученное продуктами сгорания, можно определить по формуле;

Q = УГср — t2) , [кДж/кг]

Где; Уг — полный объем продуктов сгорания 1 кг топлива [нм3/кг];

СР — средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания [кДж/нм3 -°С; 11 и 12 — высший и низший температурные уровни продуктов сгорания;

Приняв ^ = 0, и учитывая, что процессы горения и теплообмена являются изобарными, величину Q можно назвать энтальпией продуктов сгорания;

I = УГс^, [кДж/кг

При тепловых расчетах котлов для определения энтальпии дымовых газов обычно пользуются тепловой

Диаграммой продуктов сгорания (I — t диаграммой), которая строится в зависимости от состава топлива и коэффициента избытка воздуха.

Эта диаграмма представляет собой семейство кривых, построенных по расчетам воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива данного состава и определения объемов компонентов продуктов сгорания.

Топки паровых котлов. Организация топочного процесса. Топочные устройства. Организация дутья в паровых котлах