Уравнение горения керосина в воздухе

Мало найдется людей не знающих о существовании такого вещества, как керосин. Оно повсеместно распространено и известно не первый год. Но какова, к примеру, температура кипения керосина? Какова его плотность и вязкость? В статье мы разберем основные свойства вещества, а также рассмотрим направления его применения.

Видео:Энергия топлива, удельная теплота сгорания топлива. 8 класс.Скачать

Что это?

Керосин — это горючая смесь, состоящая из жидких углеводородов. Температура кипения керосина варьируется в пределах 150-250° по Цельсию. Это прозрачная, не имеющая цвет (в некоторых случаях желтоватая) жидкость, чуть маслянистая на ощупь.

Само слово произошло от англ. kerosene. В свою очередь, оно имеет греческие корни: κηρός — «воск».

Керосин получается путем прямой перегонки или ратификации нефти. Иногда — посредством ее вторичной переработки. В некоторых случаях продукт подвергают гидроочистке.

Видео:Уравнивание реакций горения углеводородовСкачать

Состав вещества

Мы разобрались с температурой кипения керосина. Теперь представим состав данного продукта. Он не является универсальным и эталонным, так как зависит от сырья — нефти, ее способа переработки и химического состава.

Итак, состав керосина по ГОСТ:

• Алифатические предельные углеводороды — 20-60% от общей массы.
• Углеводороды нафтеновые — 20-50%.
• Ароматические бициклические углеводороды — 5-25%.
• Углеводороды непредельные — до 2%.
• Незначительное содержание примесей — сернистых, кислородных или азотистых.

Представим теперь важнейшие свойства данного вещества.

Видео:Составление уравнений реакций горения. 11 класс.Скачать

Кинематическая вязкость

При характеристике керосина по ГОСТу будет актуальной и эта позиция. Надо сказать, что вязкость углеводородов, входящих в состав данного продукта существенно изменяется с понижением/повышением его температуры. Чем последняя будет выше, тем меньше становится вязкость.

Это весьма важная характеристика. Вязкость керосинов оказывает большое влияние на ряд эксплуатационных особенностей топливных систем летательных аппаратов, а также процессы сгорания и смесеобразования в двигателе.

Так, вязкость керосина при 20 °С составляет 1,2 — 4,5 мм 2 /с.

Видео:Горение жидких алканов. Гексан. КеросинСкачать

Плотность

Одна из важнейших характеристик, используемых в отношении всех нефтепродуктов. И если сравнить плотность керосина и воды, мы увидим, что последняя будет выше. Приведем конкретные цифры:

• Плотность воды дистиллированной при «идеальной» температуре 3,7 °С — 1000 кг/м 3 .
• Плотность воды морской при «идеальной» температуре 3,7 °С — 1030 кг/м 3 .
• Плотность воды кипящей при 100 °С — 958,4 кг/м 3 .

Для дальнейшего сравнения плотности воды и керосина познакомимся с этой характеристикой уже касательно нефтепродукта. Это 800 кг/м 3 .

Надо сказать, что на первых этапах развития нефтяной промышленности плотность была единственной характеристикой керосина. Сегодня же на практике чаще всего используют такую величину, как относительная плотность. Это безразмерный показатель, равный соотношению истинных плотностей данного нефтепродукта и дистиллированной воды, взятых для сравнения при определенных температурах.

Так, плотность керосина при 20 °С будет составлять от 780 до 850 кг/м 3 .

Видео:29. Общая реакция горения для всех углеводородов. Как расставить коэффициенты реакции легкоСкачать

Температура вспышки

Следующая после температуры кипения керосина характеристика — температура вспышки. Это параметр, по которому определяется степень пожарной опасности данной жидкости. Тут температура вспышки керосина будет варьироваться от 28 до 60 °С.

Надо сказать, что эта характеристика строго контролируется стандартами для предотвращения попадания в топливо бензина, который способен резко повысить его огнеопасность. Практическое определение температуры реактивных вспышек керосиновой жидкости предписывается стандартами всех государств мира.

Видео:Горение. 7 класс.Скачать

Температура самовоспламенения

На очереди еще один тепловой показатель — температура воспламенения керосина. Под этой характеристикой следует понимать такое воспламенение паровоздушной смеси, которое приводит к горению. Однако воспламенение паров не всегда будет достаточным условием для возникновения устойчивого горения керосина.

Температурой самовоспламенения называется наименьшая температура, при которой пары нефтепродукта совместно с воздухом способны загореться без наличия источника воспламенения. Кстати, именно на таком замечательном свойстве и основано функционирование дизельных двигателей внутреннего сгорания.

Самовоспламенение керосина будет происходить при температуре в 300 °С.

Видео:Реакции горенияСкачать

Теплота сгорания керосина

Еще одна значимая характеристика. Теплота сгорания керосина — это объем выделившейся теплоты при всецелом сгорании массовой (касательно жидких и твердых веществ) или объемной (касательно газообразной) единицы вещества. Величина измеряется в калориях либо джоулях.

Касательно керосина — 42,9 — 43,1 МДж/кг.

Под этой аббревиатурой понимается высота некоптящего пламени нефтепродукта. В частности, это важная характеристика для керосина КО-25. Определяет его способность гореть в фитильной стандартной лампе (с диаметром самого фитиля 6 мм) белым равномерным пламенем без образования копоти или нагара.

Это численный показатель, измеримый в миллиметрах. Он обязательно указывается на этикетках соответствующих осветительных марок продукта. На ВНП оказывают прямое влияние химический и фракционный составы керосина.

Видео:Химические уравнения // Как Составлять Уравнения Реакций // Химия 9 классСкачать

Контрационный предел воспламенения

КПВ — еще одна из значимых характеристик керосина. Так называется соотношение области воспламенения пара нефтепродукта и интервала концентрации этого горючего вещества, которое при этом равномерно распределено в окислительной среде (чаще всего — в воздухе). В границах последней вещество может воспламеняться от источников зажигания и распространять свое самостоятельное горение по всей смеси.

КПВ керосина будет равняться 1,2-8,0% объема вещества.

Видео:Урок 114 (осн). Удельная теплота сгорания топлива. КПД нагревателяСкачать

Температура помутнения

Показатель определяется либо визуально, либо оптическими методами. Это измерение пропускания жидким топливом лучей света.

Как показывают исследования, предельная температура для керосина тут — минус 12° по Цельсию. При дальнейшем понижении жидкость становится мутной.

Видео:Химия 46. Реакция горения. Флогистон — Академия занимательных наукСкачать

Применение вещества

Более всего нам известен топливный керосин. Нефтепродукт применяют в качестве реактивного топлива в ракетах и самолетах. Это и известное горючее, используемое при обжиге фарфоровых и стеклянных изделий. Керосин выпускается также и для бытовых осветительных и нагревательных приборов. Применяется для аппаратов по резке металлов. Еще это растворитель (как пример, для нанесения пестицидов), сырье в нефтеперерабатывающем производстве.

Керосин реально использовать в качестве заменителя арктического и зимнего топлива. Но в этом случае он не является равноценной альтернативой — необходимо добавление цетаноповышающих и антиизносных присадок. Для многотопливных моторов (на базе дизельного двигателя) возможно применение чистого керосина, но лишь кратковременное.

Зимой будет допустимым добавление керосина в доле 20 % в летнее дизельное топливо в целях снижения температуры застывания последнего. При этом эксплуатационные характеристики страдать не будут.

Что касается развлекательной сферы, то тут именно керосин выступает главным топливом при проведении различных фаер-шоу (представлений с «участием» огня). Тому способствует его отличная впитываемость и относительно низкая температура горения. В быту известно применение керосина в качестве средства для удаления ржавчины и промывки различных механизмов.

Видео:Количество теплоты, удельная теплоемкость вещества. 8 класс.Скачать

Главные направления использования

В заключение представим самые распространенные направления эксплуатации вещества:

• Авиационный керосин. Так называется моторное топливо для газотурбинных двигателей, которыми оснащают различные летательные аппараты. Это керосиновые фракции прямой перегонки нефти. Часто они проходят гидроочистку, к ним добавляют присадки для улучшения эксплуатационных свойств. В России для дозвуковой авиации выпускают пять разновидностей такого топлива — ТС-1, Т-1, Т-1С, Т-2 и РТ, а для сверхзвуковой — две (Т-6 и Т-8В).
• Ракетный керосин. Тут данный нефтепродукт выступает в качестве углеводородного экологически чистого горючего и рабочего тела гидромашин. Такое его применение в ракетных двигателях было предложено еще в 1914 году Циолковским. В паре с жидким кислородом используется на нижних ступенях многих ракетоносителей.
• Технический керосин. Это сырье для получения ароматических углеводородов, этилена, пропилена. Кроме того, это основное топливо при обжиге фарфора и стекла, растворитель для промывки деталей и механизмов.
• Осветительный керосин (КО-25, КО-30, КО-20, КО-22). Он применяется в осветительных приборах, используется в качестве топлива для некоторых кухонных плит (керосинки, примуса, керогаза). Еще одно использование — в отоплении. Это растворитель, средство для очистки (широко используется для удаления остатков термопаст, различных лакокрасочных покрытий), обезжириватель.
• Автотракторный керосин. Такое применение было характерно для зари развития двигателей внутреннего сгорания. Нефтепродукт широко применялся в качестве топлива для карбюраторного и дизельного двигателя внутреннего сгорания.

Среди нетривиальных применений можно выделить следующее: народное средство избавления от вшей, лечения педикулеза и дифтерии. Кроме того, керосин помогал избавиться от клопов при протирке им мебели.

Как вы убедились, керосин определяет сразу комплекс характеристик. И это кажется естественным на фоне его множественных применений.

Видео:Горение топлива и выделение энергии. 8 класс.Скачать

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.

Видео:Составление уравнений химических реакций. 1 часть. 8 класс.Скачать

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)

📸 Видео

Энергия топлива, удельная теплота сгорания топлива. Практическая часть - решение задачи. 8 класс.Скачать

Урок 109 (осн). Задачи на вычисление количества теплотыСкачать

Химия 8 класс (Урок№11 - Кислород: получение, физические и химические свойства,применение. Оксиды.)Скачать

Физика: горение и взрывСкачать

Горение кальция на воздухеСкачать

Химия. 7 класс. Процесс горения. Практическая работа №2 /15.12.2020/Скачать

Физика 8 класс : Расчет количества теплоты сгорания топливаСкачать