Теплофізичні характеристики палива

 

Тепловміст палива та продуктів згоряння. Повний запас енергії в речовинах, що можуть вступати в хімічну реакцію, визначають за повним тепловмістом (сума фізичного тепловмісту і хімічної енергії).

I_Q= I_t + Q_хім.

Фізичний тепловміст речовини I_t – це кількість тепла, що витрачається на нагрівання даної речовини (будь-якого складу) від абсолютного нуля до температури, за якої вона надходить до двигуна.

Фізична ентальпія робочого тіла залежить лише від температури і є ентальпією стану.

.

Хімічну енергію палива визначають як різницю теплоти утворення ПЗ і вихідних продуктів, тобто компонентів палива.

У разі точного розрахунку для складних робочих тіл необхідно враховувати теплоту сублімації Q_субл., випаровування Q_вип., розчинення Q_розч. тощо, тобто:

Q_хім = Q_р ± Q_субл. ± Q_вип. ± Q_розч. ± ….

У більшості випадків розрахунок проводять для 1 кг палива, тоді Q_хім еквівалентне Н_u:

Q_хім = = Н_u.

Основною умовою термодинамічних розрахунків є рівність ентальпії ПЗ ентальпії вихідного палива.

I_ПЗ = I_{пал .}

Ентальпію для 1 кг палива можна порахувати, якщо відомі ентальпії компонентів, температура і співвідношення компонентів:

.

Якщо компоненти складаються з кількох речовин то:

І = åІ_і g_i,

де І_і, g_i – ентальпія і масова частка і -ї складової компоненту.

Якщо умови подачі палива до двигуна значно відрізняються від початкових умов, вказаних у термодинамічних таблицях, то необхідно зробити перерахунок, врахувавши вплив температури і тиску.

,

де Т_поч, Е_под – температура початкова і подачі; р_под – тиск подачі; І_поч – ентальпія для початкової температури за термодинамічними таблицями; ρ – густина компоненту.

Густина палива. Найважливішим параметром, що характеризує стан речовини, є її густина – відношення маси речовини до її об’єму.

Під час оцінки ефективності палива велике значення має його питома густина ρ_пал. Від величини густини залежить ємність і маса паливних баків, насосів, трубопроводів тощо. Чим вища густина палива, тим воно цінніше.

В умовах експлуатації теплопродуктивність одиниці об’єму має більше значення, ніж одиниці маси. Оскільки речовина, маючи велику теплотворність одиниці маси, може займати великий об’єм, що створює труднощі під час експлуатації (збільшення об’ємів баків, використання багатоступінчастих насосів…). В першу чергу до таких речовин належать зріджені гази (водень, метан…).

Густину палива можна визначити за відомими значеннями ρ_п і ρ_ок та k_m або a.

(2.21)

Для більшості палив k_m значно більше одиниці, отже, густина окислювача має більш суттєвий вплив на густину палива. Чим більше ρ_ок, тим більше ρ_пал. Суттєвий вплив на густину компонентів і палива має температура, що необхідно враховувати при розрахунках трубопроводів і баків. З підвищенням температури густина зменшується. Для ряду компонентів існують емпіричні залежності густини від температури.

Приклад 9. Визначити густину АК-27+НДМГ за температури T = 293 K, якщо k_m = 2,66, густина окислювача ρ_o = 1595 кг/м³ і густина пального ρ_п = 791 кг/м³.

За формулою (2.21) визначаємо густину палива

[ кг / м³ ].

В’язкість компонентів палива. В’язкістю (або внутрішнім тертям) називається властивість речовини, що проявляється в опорі, який чинить рідина переміщенню її часток під дією сил.

Розрізняють динамічну, кінематичну і умовну в’язкість.

Динамічною в’язкістю (або коефіцієнтом внутрішнього тертя) називається сила опору двох шарів рідини площею 1 см², що знаходяться на відстані 1 см і переміщуються один відносно іншого зі швидкістю 1 см/с.

,

де ΔS - площа поверхні, для якої розраховується внутрішнє тертя; - градієнт швидкості.

Звідси .

Одиницею динамічної в’язкості є пуаз,що відповідає силі опору взаємному переміщенню в 1 дину. Сота частина пуазу називається сантипуаз.

1 пуаз = 100спз = 1 дін · сек/см²

1 пз = 0,1 н · сек/м² 1 кг · ск/ м² = 9,81 н · сек/м^2..

Кінематична в’язкість – це відношення динамічної в’язкості до густини компоненту:

Вимірюється в стоксах та сантистоксах.

1 ст = 100 сст = 1 см²/с

1 ст = 10^-4 м²/с 1 сст = 10^-6 м²/с

Кінематична в’язкість залежить від температури, тому слід писати n_t.

Відносна в’язкість Е_t (в градусах Енглера). Число градусів Енглера – це відношення часу витікання із віспозиметра Енглера 200 мл даної рідини до часу витікання 200 мл дистильованої води за Т = 293 К.

Зв’язок між в’язкістю за Енглером і кінематичною має вигляд

Е_t = 0,135 n_tn_t = 7,41 Е_t

ЛЕКЦІЯ 6

Температура початку кипіння і випарність. Температурою кипіння однорідної речовини називають температуру, за якої тиск насиченої пари дорівнює 760 мм рт.ст..

Для вуглець водневих пальних поняття температура кипіння заміняється більш складним і умовним поняттям – «крива википання» або «крива розгонки».

Кривою розгонки (рис.1.2) називають криву залежності між температурою пари і об’ємним процентом рідини, що википіла.

Користуючись методом розгонки можна розділити складне пальне на фракції, що википають при різній температурі.

Крива розгонки показує процентний вміст википаючи фракцій залежно від температури. Тому вона характеризує фракційний склад палива і дозволяє зробити висновок про характер його випарності.

Крива має ряд характерних точок, що дозволяє зробити висновок про його експлуатаційні властивості.

Так для авіаційного гасу точка википання 10% визначає його пускові властивості і не повинна перевищувати 80°С.

Чим нижча температура, при якій відганяється 10% палива, тим легше здійснюється старт двигуна.

Занадто низька температура википання 10% пального створює небезпеку перекриття паливних трубопроводів газовими пробками внаслідок випаровування низькотемпературних фракцій.

Важливе значення має температура, за якої википає 50% палива. Чим нижче ця температура, тим краще випаровується паливо і тим швидше двигун вийде на режим. Для гасу температура википання 50% складає 484 К.

Чим нижче температура википання 90%, тим краща його загальна випарність.

З підвищенням цієї температури збільшується нагароутворення через неповноту згоряння палива.

Пружність пари і прихована теплота пароутворення. Пружність пари, прихована теплота пароутворення і температура рідини і пари тісно пов’язані між собою. Зміна одного з них спричиняє зміну інших параметрів і може суттєво вплинути на роботу системи охолодження і живлення двигуна.

Пружність пари р_s – одна з найважливіших фізично-хімічних характеристик палива. Чим вище р_{s ,} тим швидше навколишнє середовище насичується парою палива і тим більша небезпека спалахування або вибуху. При високих р_{s ,} більша ймовірність виникнення кавітації в насосах, оскільки полегшується утворення парових бульбашок в рідині при низьких температурах.

Але висока пружність пари може бути корисною при забезпеченні наддування баків за рахунок власної пружності пари.

З кінетичної точки зору процес випаровування полягає в тому, що частина молекул рідини, маючи високу швидкість, переходить в газову область(тобто випаровується). В той же час молекули в газовій області, досягаючи поверхні рідини, підпадають під дію сил притягання і захоплюються рідиною(тобто конденсуються).

Якщо кількості молекул, які випарувалися будуть рівними, встановлюється динамічна рівновага і при даній температурі встановлюється цілком певний тиск насиченої пари.

Випаровування рідини може виникати в системах живлення і охолодження, що може порушити нормальну роботу двигуна.

Прихованою теплотою пароутворення r_к (питома теплота пароутворення) називається кількість тепла, що необхідна для випаровування одиниці маси рідини, нагрітої до температури кипіння.

Рівноважний стан системи з різними фазовими станами залежить від температури і визначається рівнянням Клапейрона-Клаузіуса:

,

де v_п, v_р – питомі об’єми пари і рідини при температурі кипіння Т.

Залежність тиску насиченої пари від температури рідини можна знайти у довідниках.

Питоме газоутворення. Питомим газоутворенням (м³/кг) називають кількість газів-продуктів згоряння(м³), віднесену до одного кг палива, що згоріло.

Величину питомого газоутворення легко знайти за рівнянням стану

.

Питомий об’єм v і відповідає питомому газоутворенню в даній реакції.

Для зручності порівняння необхідно, щоб тиск і температура відповідали нормальним умовам.

Т₀ = 288 К, р = 9,81∙10⁴ Па

Величину питомого газоутворення використовують для порівняння різних палив. Якщо об’єм газів, що відповідає питомому газоутворенню пропустити через площу зрізу сопла за одну секунду, то швидкість газів буде найбільшою при найбільшому питомому газоутворенню. В умовах РД – паливо, що має найвище питоме газоутворення, забезпечить і максимальний питомий імпульс

; .

Слід зауважити, що за рівнянням стану питоме газоутворення пропорційне газовій постійній і обернено пропорційне молекулярній масі ПЗ.