CC BY
5
УДК 57.04 /621.45/536.66.
ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ ЖРТ, КАК ФАКТОР, ВЛИЯЮЩИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
И. С. Осадчий Научный руководитель - М. В. Чижевская
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассматривается тепловое влияние на окружающую средусовременных жидкихтоплив.
Ключевые слова: тепловой эффект, энтальпия, загрязнение окружающей среды, жидкое ракетное топливо, реакция горения.
THERMAL EFFECT OF THE COMBUSTION REACTION AS A FACTOR, AFFECTING THE ENVIRONMENT
I. S. Osadchiy Scientific Supervisor - M. V. Chizhevskaya
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: [email protected]
The paper shows modern types of liquid fuel, their enthalpies and overall environmental impact.
Keywords: thermal effect, enthalpy, environmental pollution, liquid rocket fuel, combustion reaction.
Интенсивное развитие космонавтики и авиации неизбежно вызывает рост потребления топлива, что, в свою очередь, увеличивает количество продуктов его сгорания, выбрасываемых в атмосферу, а также количество вырабатываемого тепла, влияющего на климат Земли. Все это влияет как на живых организмов, так и на климат, в котором они живут. В этой статье мы рассмотрим именно климат.
В настоящее время серьезной проблемой нашей цивилизации является парниковый эффект, влияющий на изменение климата всей планеты, повышение средней температуры, вследствие чего происходит вымирание видов животных и растений. На это сильно влияет деятельность человека, включая ракетные запуски, ведь при протекании реакции сгорания топлива выделяются большие количества теплоты и химических элементов, включая углекислый газ, который из-за своей нестабильности равномерно распределяется по земному шару.
В ракетах для запуска космических аппаратов в настоящее время, в основном, используются следующие вида топлива, которые мы сегодня и рассмотрим:
1 - «Керосин + жидкий кислород». Популярное, дешевое топливо с развитой топливной инфраструктурой.
2 - «Диметилгидразин + тетраоксид азота». Чрезвычайно токсичное топливо. Однако высокая устойчивость горения, самовоспламеняемость, относительная простота топливной
Секция « Техносферная безопасность »
арматуры, легкость хранения, хорошие плотность и энергетические характеристики предопределили его широкое распространение.
3 - «Жидкий водород + жидкий кислород». Очень низкая плотность и чрезвычайно низкие температуры хранения жидкого водорода ставят под сомнение эффективность использования этого топлива в первой ступени ракет. Но влияние на экологию минимальное.
4. - «Жидкий метан + жидкий кислород». Очень дешевое топливо, по остальным характеристикам занимает промежуточное положение между топливными парами керосин + жидкий кислород и жидкий водород + жидкий кислород [1].
Реакция сгорания топлива создает огромное количество теплоты, которое от части поглощается корпусом ракеты, но оставшаяся выходит и за его границы, тем самым влияя на микроклиматические условия окружающей среды. Как уже известно, даже небольшие скачки температуры могут оказать серьезные последствия.
Для нахождения теплового эффекта реакции горения каждого топлива потребуется провести некоторые расчеты. Но, во-первых, нужно рассмотреть, что представляет из себя тепловой эффект, энтальпия.
Энтальпия - это, во-первых, энергия. Нас будет интересовать термодинамическая энтальпия и энтальпия сгорания. Термодинамическая энтальпия - это количество энергии, затраченной на образование вещества из исходных химических элементов.
Энтальпия сгорания имеет смысл только при условии протекания химической реакции. Для разных веществ и реакций существуют экспериментально полученные при нормальных условиях значения этой величины. Чаще всего для горючих это полное окисление в среде кислорода, для окислителей - окисление водорода заданным окислителем. Причем значения могут быть как положительными, так и отрицательными в зависимости от вида реакции.
Сумму термодинамической энтальпии и энтальпии сгорания называют полной энтальпией вещества. Этой величиной и оперируют при тепловом расчете камер ЖРД.
Для расчета энтальпии топлива нужно для начала найти массовую долю содержания
элементов в горючем и окислителе по формуле = где А; - относительная атомная
Н1
масса 1-го химического элемента; - количество атомов в химической формуле; ц -относительная молекулярная масса всего вещества. Правильность расчетов проверяем, складывая массовые доли. Их сумма должна быть равна 1 (возможна погрешность в 3-м знаке после запятой). Далее нужно знать действительное соотношение компонентов Кт, которое рассчитывается по формулеКт=а0кКто, где аок - коэффициент избытка окислителя. При аок< 1 топливо имеет избыток горючего, при аок> 1 - избыток окислителя.Узнать наперед какое значение аок лучше выбрать, очень сложно. Поэтому им либо задаются из диапазона рекомендуемых значений, либо проводят серию тепловых расчетов при разных аок. Мы примем его равным 0,91[2].
Кт0 - индекс, обозначающий стехиометрическое соотношение (соотношение между количеством окислителя и горючего, при котором они взаимодействуют друг с другом без остатка.) Для определения Кто при сгорании углеводородных топлив можно использовать
формулу = "^""тт""———.Осталось посчитать энтальпию топлива по формуле -
Ша с^-^-згнЭ
= Значения энтальпий окислителя и горючего возьмем из справочных
материалов. Результат получится в кДж/кг[2].
По результатам расчетов получилось, что у первой пары полная энтальпия равна -779,11 кДж/кг, у второй - 66,1, у третьей - -44353,556, у четвертой - -32421,98 (см. рисунок). Расчёты были сделаны по информации из открытых источников. Слишком отрицательная энтальпия образования говорит о большой потере энергии химической реакции горения топливной смеси на фазовые превращения и на расщепление молекул на части при воспламенении.
5000 0
-5000 -10000 -15000 -20000 -25000 -30000 -35000 -40000 -45000 -50000
3
1 2
1 - Керосин + — жидкий кислород
■ 2
_ - Диметилгидразин _ + тетраоксид азота
3 - Жидкий водород + жидкий кислород
4
Полные энтальпии топлив (кДж/кг)
Также в результате работы антропогенных источников загрязнения в атмосферу ежегодно выбрасывается около 33 млрд. т углекислого газа (данные на 2018 год)[3]. Можно попробовать рассчитать выделение газа на одной ракете. В качестве примера возьмем самую мощную из существующих ныне - «FalconHeavy», которая представляет собой связку из трех «Falcon 9». В качестве горючего используются жидкий кислород и ракетное топливо RP-1. Около 86% массы RP-1 - это углерод. Навскидку можно предположить, что полная загрузка баков «FalconHeavy» составляет около 425 тонн RP-1. Это дает около 365 тонн углерода. Соединяясь с кислородом, он образует углекислый газ. Удельная масса углерода в С02- 27%. Разделив 365 тонн на 0,27, мы получим искомое значение - 1352 тонны углекислого газа за один запуск ракеты. За 2019 было выполнено 102 запуска, и если грубо предположить, что запускали только «FalconHeavy», мы получим, что в атмосферу было выброшено 137904 тонн, что составляет примерно 0,0004% от общего количества выбросов [4].
Подводя итог, можно сказать, что при реакции горения топлива выделяется огромное количество теплоты, что, однозначно, вносит свой вклад в экологическую составляющую окружающей среды.
Библиографические ссылки
1. Propellants [Электронный pecypc].URL: https://history.nasa.gov/conghand/propelnt.htm (дата обращения: 03.05.2020).
2. Расчет Камеры ЖРД [Электронный ресурс]. URL: https://rocketengines.ru/category/ rocket-engines-studying/practice/chamber-computation (дата обращения: 27.02.2020).
3. GlobalEnergy&CO2 StatusReport 2019 [Электронный ресурс]. URL: https://www. iea.org/reports/global-energy-co2-status-report-2019 (дата обращения: 27.04.2020).
4. Сага о ракетных топливах - обратная сторона медали [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/post/401927/ (дата обращения: 27.02.2020).
5. Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей: Учебное пособие для авиационных вузов. М.: Машиностроение, 1976. 304с.
© Осадчий И. С., 2020
