Главная страница
Навигация по странице:

  • «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

  • Дисциплина: «

    		•

    Пермский национальный исследовательский политехнический университет Аэрокосмический факультет Кафедра Ракетнокосмической техники и энергетических систем


    Скачать 75.25 Kb.
    НазваниеПермский национальный исследовательский политехнический университет Аэрокосмический факультет Кафедра Ракетнокосмической техники и энергетических систем
    Дата18.12.2018
    Размер75.25 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаraschetka_po_MRDTT_kopia.docx
    ТипРеферат
    #60808

    Министерство науки и образования Российской Федерации

    Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

    высшего профессионального образования
    «Пермский национальный исследовательский

    политехнический университет»
    Аэрокосмический факультет

    Кафедра «Ракетно-космической техники и энергетических систем»

    Специальность: 24.05.02 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей»






    Дисциплина:

    «Моделирование рабочих процессов в ракетных двигателях»


    Расчетная работа

    «Термодинамический расчет параметров продуктов сгорания в камере сгорания при горении баллиститного ракетного топлива»
    Выполнил студент гр.РД-15-1с

    Ерохина Марина Александровна

    (Фамилия, имя, отчество)



    (подпись)
    Проверил:

    Доцент кафедры РКТЭС____________

    Бачев Николай Леонидович_________

    (должность, Ф.И.О. руководителя от кафедры)



    (оценка) (подпись)



    (дата)


    Пермь 2018

    Оглавление


    Реферат 3

    Введение 4

    1.Исходные данные 5

    2.Условная химическая формула (УХФ). Элементарный состав. 6

    3. Первое приближение Тк(1) =1600К 8

    4. Второе приближение Тк(2) =1300К 11

    5. Определение действительной температуры в КС 14

    6. Определение параметров горения при действительной ТК 15

    Заключение 19

    Список источников 20



    Реферат


    Ракетные двигатели, работающие на твердом топливе (РДТТ), несмотря на простоту конструкции, характеризуются сложными физико-химическими и газодинамическими процессами, протекающими в камере сгорания (КС) и сопле.

    Расчет преобразования химической энергии в тепловую, а затем в кинетическую сложный процесс его называют термодинамическим. Он позволяет расчетным путем определить энергетические параметры двигателя. При термодинамическом расчете двигателя химический состав топлива и теплоты образования компонентов задаются, как и давление в КС.

    Природу топлива характеризуют энтальпией и элементным химическим составом. Последний определяет возможный состав индивидуальных веществ, составляющих продукты сгорания (ПС). Совокупность параметров, определяющих природу топлива, процессы в камере и термодинамические свойства индивидуальных веществ, составляющих ПС, образуют исходные данные для термодинамического расчёта.

    Зная состав топлива и значение давления в КС, можно определить действительную температуру в КС и параметры горения с помощью метода приближений температур и нахождения параметров продуктов сгорания. При нахождении действительной температуры и констант химического равновесия используется метод линейной интерполяции.


    Введение


    Термодинамические характеристики определяют, рассчитывая идеальные процессы, имеющие место в идеальных ракетных двигателях, т.е. без учёта особенностей конкретной камеры реального двигателя, таких как схема смесеобразования, форма камеры сгорания и т.п. Тогда термодинамические характеристики зависят лишь от природы топлива и основных параметров процессов в камере.

    Цель данной расчетной работы – нахождение действительной температуры в камере сгорания и параметров продуктов сгорания, при заданных давлении в камере сгорания и составе баллиститного ракетного топлива (БТТ).

    Для достижения цели нужно решать следующие задачи:

    1. определить энтальпию БТТ заданного состава;

    2. определить элементарный состав топлива, получить условную химическую формулу;

    3. провести первое приближение ТК(1), определить энтальпию ПС при заданной температуре сравнить её с энтальпией топлива;

    4. провести второе приближение ТК(2), определить энтальпию ПС при заданной температуре сравнить её с энтальпией топлива;

    5. построить график зависимости энтальпии от температуры в камере сгорания, определить по графику действительную температуру в КС;

    6. определить параметры горения ПС при действительной ТК.


    1. Исходные данные


    Давление в камере сгорания (КС) Pk=116атм, степень нитрации N=14,0%.

    Состав баллиститного твердого топлива (БТТ) представлен в таблице 1.

    Таблица 1 – Состав БТТ.

    №
    Название
    σmj, %
    Формула
    ΔH0, кДж/моль
    Мj, кг/моль
    ΔH0, кДж/кг

    1
    Нитроцеллюлоза
    55
    C6H7O2(ONO2)3
    -1894,4
    0,297
    -6378,40

    2
    Нитроглицерин
    19,8
    C3H5(ONO2)3
    -379,7
    0,227
    -1672,69

    3
    Динитротоулол
    20
    C7H6(NO2)2
    64,85
    0,182
    356,32

    4
    Дифениламин
    1,3
    C12H11N
    -130
    0,169
    -769,23

    5
    Диэтлфталат
    2,1
    C6H4(COOC2H5)2
    -792,9
    0,222
    -3571,62

    6
    Вазелин
    1,8
    C20H42
    -477,9
    0,282
    -1691,49






















    1.1 Определение энтальпии образования нитроцеллюлозы:

    Молярная масса:

    М1=12*6+1*7+(3-х)+16*2+16*(3-х)+16*3х+14х=162+45х

    Элементарный состав:

    gN = ;

    Решив уравнение получим: x=2,95 >xmax =3 ;

    Принимаем x=3, тогда

    M1=12*6+7*1+16*(2+3*3)+14*3=297 г/моль =

    = 0,297кг/моль;

    gN =

    значит степень нитрации: N=14,14%;

    Энтальпия образования нитроцеллюлозы:

    ΔH0 = -5831,8+277,14*14,14+0,0933*14,142 = -1894,4 кДж/моль.

    1.2 Молярные массы компонентов:

    М2=12*3+1*5+16*9+14*3=227 г/моль = 0,227 кг/моль;

    M3=12*7+1*6+16*4+14*2=182 г/моль = 0,182 кг/моль;

    M4=12*12+1*11+14 = 169 г/моль = 0,169 кг/моль;

    M5=12*(6+3*2)+1*(2+10)+16*2*2 = 222 г/моль = 0,222 кг/моль;

    M6=12*20+1*42 = 282 г/моль = 0,282кг/моль.

    1.3 Энтальпия образования БТТ заданного состава:

    ΔH0=-6378,40*0,57-1672,69*0,139+356,32*0,20-769,23*0,055-3571,62*0,026-1691,49*0,010= -3949 кДж/кг.


    1. Условная химическая формула (УХФ). Элементарный состав.


    2.1 Количество атомов i-го элемента в j-ом компоненте:

    ZC=6*0,57+3*0,139+7*0,20+12*0,055+12*0,026+20*0,010=6,409;

    ZH=7*0,57+5*0,139+6*0,20+11*0,055+14*0,026+42*0,010=7,274;

    ZO=11*0,57+9*0,139+4*0,20+4*0,026=8,425;

    ZN=3*0,57+3*0,139+2*0,20+1*0,055=2,582.

    2.2 Молярная масса топлива:

    М=12*6,409+1*7,274+16*8,425+14*2,582=255,13 г/моль = =0,255кг/моль.

    2.3 Элементарный состав:

    gN =

    gС =

    gН =

    g0 =

    2.4 УХФ принимает вид:

    C6,409H7,274O8,425N2,582


    (1)
    (2)


    (3)
    (4)

    (5)

    (6)

    (7)

    (8)

    (9)

    (10)

    (11)

    (12)

    (13)

    (14)

    (15)

    (16)

    (17)

    (18)

    (19)

    (20)



    3. Первое приближение Тк(1) =1600К


    3.1 Константы химического равновесия:

    Таблица 2 – Константы химического равновесия для Тк(1).

    Обозначение
    Формула
    Значение

    К1
    Pco*Po21/2/Рсо2
    0,2074*10-4

    К2
    PН2*Po21/2/Рн2o
    0,6615*10-4

    К2а
    Pco* Рн2o/(Рсо2* PН2)
    3,1350

    К3
    PoH*PH21/2/РH20
    0,1726*10-5

    К4
    P2NO/(PN2*Po2)
    0,2575*10-4

    К5
    P2H/ PН2
    0,2944*10-8

    К6
    P2O/ PO2
    0,2657*10-9

    К7
    P2N/ PN2
    0, 1354*10-16










    3.2 Вспомогательные величины:

    Q=;

    R=;

    S=.

    3.3 Парциальные давления:

    Принимаем:

    Po2= PoH= PNO= PН= PO= PN=0;

    Парциальное давление N2:

    PN2=

    Константа хим. равновесия K2a:

    К2а=

    Подставив известные величины получим:

    (К2а – 1) Р2со2+139Рсо2 –1365=0;

    При К2а=3,135, решение квадратного уравнения: Рсо2=8,52 атм.

    Парциальные давления CO, H2O, H2:

    Pco =2*Q* PN2 – Рсо2 =56,64атм;

    Рн2o =2*Q* PN2*(S-1) – Рсо2 = 12,07атм;

    PH2 =2* PN2 (R/2 – Q*(S-1)) + Рсо2 = 25,59атм.

    Константа хим.равновесия K2a по найденным парциальным давлениям:

    K2a =

    Проверка константы химического равновесия K2a и парциальных давлений по погрешности:

    ΔK2a =

    ΔP =

    3.4 Молярная масса ПС в камере:

    Молярная масса компонента рассчитывается по формуле:

    Mi=Ai* Zi,

    где Ai – атомная масса, Zi – количество атомов.

    (21)

    (22)
    (23)

    (24)
    (25)

    (26)
    (27)

    (28)

    (29)

    (30)

    (31)

    (32)
    (33)

    (34)

    Таблица 3 – Молярные массы компонентов.

    Компонент
    Mj , кг/моль

    CO2
    0,044

    H2O
    0,018

    CO
    0,028

    OH
    0,017

    NO
    0,030

    H2
    0,002

    O2
    0,032

    N2
    0,028

    H
    0,001

    O
    0,016

    N
    0,014

    Молярная масса ПС:

    M=

    3.5 Массовый состав ПС: gj =

    Массовый состав CO2, CO, H2O, H2, N2:

    gСO2 = 0,144; gСO = 0,610; gН2O = 0,084; gH2 = 0,020; gN2 = 0,142.

    Проверка

    3.6 Энтальпия компонентов ПС:

    Формула перевода энтальпии из кал/моль в кДж/кг:

    Hj=

    (35)
    (36)
    (37)

    Таблица 4 – Энтальпии компонентов ПС.

    Компонент
    Hj, кал/моль
    Hj, кДж/кг

    CO2
    –77840,4
    –7394,838

    H2O
    –45118,3
    –10477,472

    CO
    –16257,6
    –2427,027

    OH
    19686,8
    4840,637

    NO
    31988,3
    4457,036

    H2
    9484,4
    19822,396

    O2
    10616,5
    1386,780

    N2
    10051,6
    1500,560

    H
    58574,0
    244839,320

    O
    65717,4
    17168,671

    N
    92050
    27483,500

    Формула энтальпии ПС в первом приближении:

    Hпс=

    HТ= - 3949 кДж/кг.

    HТ> Hпс, тогда Тк(2) = Тк(1) – ΔT

    Принимаем Тк(2)=1300К.

    (38)
    (39)


    4. Второе приближение Тк(2) =1300К


    4.1 Константы химического равновесия:

    Таблица 5 – Константы химического равновесия для Тк(2).

    Обозначение
    Формула
    Значение

    К1
    Pco*Po21/2/Рсо2
    0,1591*10-6

    К2
    PН2*Po21/2/Рн2o
    0,8648*10-7

    К2а
    Pco* Рн2o/(Рсо2* PН2)
    1,8400

    К3
    PoH*PH21/2/РH20
    0,1116*10-7

    К4
    P2NO/(PN2*Po2)
    0,1112*10-5

    К5
    P2H/ PН2
    0,1220*10-11

    К6
    P2O/ PO2
    0,4191*10-13

    К7
    P2N/ PN2
    0,4503*10-22

    4.2 Парциальные давления:

    Используя квадратное уравнение (27) при К2а=1,8400, находим:

    Pco2= 10,6атм.

    Из уравнений (28)-(30) получили:

    Pco = 54,56атм,

    Рн2o =9,9атм ,

    PH2 =27,674 атм.

    Константа хим.равновесия K2a по найденным парциальным давлениям по формуле (31): K2a =1,841.

    Погрешность K2a и парциальных давлений по формулам (32), (33):

    ΔK2a =0,01%, ΔP=0,04%.

    4.3 Молярная масса ПС в камере:

    Молярная масса ПС с использованием таблицы 3 по формуле (35):

    M=

    4.4 Массовый состав ПС:

    Массовый состав CO2, CO, H2O, H2, N2 по формуле (36):

    gСO2 = 0,18; gСO = 0,59; gН2O = 0,069; gH2 = 0,021; gN2 = 0,142.

    Проверка

    4.5 Энтальпия компонентов ПС:

    Перевод кал/моль в кДж/кг по формуле (37).

    Таблица 6 – Энтальпии компонентов ПС.

    Компонент
    Hj, кал/моль
    Hj, кДж/кг

    CO2
    –82013,4
    –7791,273

    H2O
    –48423,2
    –11244,94

    CO
    –18771,7
    –2802,347

    OH
    17340,3
    4263,674

    NO
    29430,5
    4100,650

    H2
    7184,3
    15015,187

    O2
    8005,1
    1045,666

    N2
    7565,1
    1129,361

    H
    57083,6
    238609,448

    O
    64222,5
    16778,128

    N
    90559,6
    27038,509

    Энтальпия ПС во втором приближении:

    Hпс=

    (40)



    5. Определение действительной температуры в КС


    Из графика на рисунке 1 получено, что ТК=1254,086 К.

    Рисунок 1 – График зависимости энтальпии ПС от Т и график энтальпии топлива.

    6. Определение параметров горения при действительной ТК


    4.1 Константы химического равновесия:

    Так как значение действительной ТК не табличное, то константы находим с помощью линейной интерполяции.

    Таблица 7 – Константы химического равновесия для ТК.

    Обозначение
    Формула
    Значение

    К1
    Pco*Po21/2/Рсо2
    0, 9192*10-6

    К2
    PН2*Po21/2/Рн2o
    0, 5258*10-7

    К2а
    Pco* Рн2o/(Рсо2* PН2)
    1,6526

    К3
    PoH*PH21/2/РH20
    0, 6083*10-7

    К4
    P2NO/(PN2*Po2)
    0, 1324*10-6

    К5
    P2H/ PН2
    0, 1792*10-13

    К6
    P2O/ PO2
    0, 6229*10-15

    К7
    P2N/ PN2
    0,2426*10-22

    6.2 Вспомогательные величины из формул (21) – (23):

    Q=; R=; S=.

    6.3 Парциальные давления в первом приближении:

    Принимаем: Po2= PoH= PNO= PН= PO= PN=0.

    Парциальное давление N2 , полученное по формуле (25): PN2=10,290 атм.

    Используя квадратное уравнение (27) при К2а=1,6526, находим:

    Pco2= 11,124 атм.

    Парциальные давления CO, H2O, H2 из уравнений (28)-(30) получили:

    Pco = 35,737 атм,

    Рн2o =9,448 атм ,

    PH2 =18,366 атм.

    Константа хим.равновесия K2a по найденным парциальным давлениям по формуле (31): К2а=1,6526.

    Погрешность K2a и парциальных давлений по формулам (32), (33):

    ΔK2a =0%.

    6.3 Парциальные давления во втором приближении:

    Po2= K2 атм;

    PoH= K3 атм;

    PNO= атм;

    PН= атм;

    PO= атм;

    PN= атм.

    Проверка погрешностей давлений по формуле (33):

    ΔP =

    5. Молярная масса ПС при ТК по формуле (35):

    M=.

    6. Массовый состав ПС согласно формуле (36):

    gj =

    gСO2 =0,203; gСO = 0,415; gН2O = 0,070; gOH = 9,434*10-12 ;gNO =1,104*10-6 gH2 = 0,015; gO2 = 6,747*10-11; gN2 = 0,119; gH =2,378*10-10 ;

    gO =6,329*10-16 ; gN =9,163*10-16.

    Проверка:

    7. Газовая постоянная:


    8. Плотность ПС:

    Давление Pk=85атм, необходимо перевести в Па,

    тогда Pk=85атм =8,613*106Па.

    ρK=23,066 кг/м3
    9.Удельная изобарная теплоемкость:

    Сp=

    Из рисунка 1 ΔH = 318,985 кДж при ΔT = 200К, тогда по формуле (48):

    Cp = 1594,925 Дж/(кгК).

    10. Изохорная удельная теплоемкость:

    Сv=Cp-RK=1297,179 Дж/(кгК).

    11. Показатель адиабаты:

    k== 1,23

    12. Сила топлива:

    f=RK*TK =373399 Дж/кг = 373,4 кДж/кг.

    13. Удельный импульс давления:

    933,930 м/с.
    (41)
    (42)
    (43)

    (44)
    (45)

    (46)

    (47)

    (48)


    (49)
    (50)

    (51)

    (53)


    Заключение


    Произведен расчет термодинамических параметров камеры сгорания. Цель данной расчетной работы достигнута – найдена действительная температура в камере сгорания и параметры горения, при заданных условиях. Полученная ТК=1254,086 К. Погрешности вычислений не превышают 0,4%.

    Список источников


    1. Термодинамические и теплофизические свойства твердых ракетных топлив и их продуктов сгорания. Под ред. В. Е. Алемасова. М.: Изд-во МО СССР, 1977. – 318 с.

    2. Шевелюк М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей. – Гос. научно-техн. изд-во, 1960.

    написать администратору сайта