Теплоемкость топлива

Под теплоемкостью понимают количество тепла, необходимое для увеличения температуры массы вещества на один градус при данных температуре и давлении. Иными словами, теплоем­кость отвечает отношению количества тепла, сообщаемого систе­ме в каком-либо процессе, к соответствующему изменению тем­пературы. Различают истинную теплоемкость, характерную для данной температуры, и среднюю — для определенного интервала температур. Теплоемкость относят к единице массы вещества (удельная)—кал/(г • град), или ккал/ (кг • град), к единице объ­ема при нормальных условиях — ккал/ (

м³ • град), к 1 молю (килограммолю) — ккал (кмоль • град).

Для жидкостей чаще всего используют значение средней удельной теплоемкости при постоянном объеме (с_?) или давле­нии вещества (с_р); для газов используют молярную теплоемкость при постоянном объеме (с_?) или давлении (с_р).

Для газов в термодинамических расчетах важное значение имеет показатель адиабаты К — отношение теплоемкости при по­стоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме:

При одинаковых условиях (давление и температура) и оди­наковом подводе тепла тело, обладающее большей теплоем­костью, будет нагреваться до более низкой температуры, чем тело, имеющее меньшую теплоемкость. Это весьма важное об­стоятельство следует учитывать при оценке степени нагрева жидких топлив за счет подвода тепла от постороннего источника. Так, при сверхзвуковом полете, когда корпус самолета будет нагреваться теплом, образующимся при аэродинамическом тре­нии, до более высокой температуры нагреется в баке топливо, которое будет состоять из углеводородов с меньшей теплоем­костью. При этом такое топливо, если оно не будет отличаться повышенной термической стабильностью, подвергнется более глубокому и ускоренному термохимическому распаду. Проиллю­стрируем это примером.

Допустим, при 0°С к 1 кг гексана со средней удельной теп­лоемкостью при постоянном объеме с_? = 0,3596 ккал/(кг • град) подведено извне Q = 10 ккал тепла. При этом гексан дополни­тельно нагреется (без учета потерь тепла, в том числе на ча­стичное испарение) на ?t = 28°С. В таких же условиях бензол со средней удельной теплоемкостью при постоянном объеме с_? = 0,1998 ккал/(кг • град) нагреется на ?t = 50°С. Таким обра­зом, в одинаковых условиях теплоподвода бензол подвергнется воздействию несравненно большей температуры, чем гексан.

Теплоемкость углеводородов весьма существенно определяет термическую стабильность топлив при их нагреве.

На рис. 23 показано изменение удельной теплоемкости в за­висимости от температуры однотипных по строению углеводоро­дов, а на рис. 24 — изменение удельной теплоемкости кероси­нов (200—260°С) различного химического состава, представляю­щих реактивные топлива для сверхзвуковых самолетов. Раз­ница между теплоемкостями авиационных топлив составляет ±8%. Однако при одинаковом теплоотводе замена топлива смешанного состава изоалкановым позволит снизить температуру топлива на 20°С, т. е. создадутся условия, при которых его тер­мическая стабильность будет выше.

В табл. 23 приведены удельные теплоемкости жидких угле­водородов различного химического строения.

С увеличением молекулярного веса теплоемкость жидких уг­леводородов в пределах одного гомологического ряда незначи­тельно падает. Так, при переходе от нонана к гексадекану в пре­делах от 0 до 50 ^СС теплоемкость снижается на 1,5%. Теплоем­кость углеводородов с повышением температуры возрастает. На­пример, теплоемкость гексадекана при изменении температуры с 38 до 150 °С увеличивается на 18%. В целом в указанном темпе­ратурном пределе теплоемкость жидких углеводородов различ­ного строения будет увеличиваться на 15—30%. При одинаковой температуре и нормальном давлении максимальную теплоем­кость будут иметь алканы и изоалканы. Так, при 80—90°С теп­лоемкость додекана на 21% больше, чем у дициклогексила, и на 32% больше, чем у дифенила, содержащих то же число углерод­ных атомов (см. табл. 23). Таким образом, в сравнимых услови­ях среди жидких углеводородов наибольшей теплоемкостью ха­рактеризуются алканы, наименьшей — ароматические углеводо­роды. Цикланы занимают промежуточное положение (табл. 24). Углеводороды циклапового и смешанного алкано-цикланового строения наиболее полно отвечают многочисленным эксплуатаци­онным требованиям.

В табл. 25 приведены определенные при различных темпера­турах удельные теплоемкости двух реактивных топлив: Т-1, вы­кипающего в пределах 150—280°С, и Т-5, выкипающего в преде­лах 200—310°С.

Как видно из данных табл. 25, при нагреве реактивных топ­лив от 20 до 270 °С их теплоемкость возрастает примерно на 60%. Следовательно, при одинаковом подводе тепла в области более высоких температур топливо будет нагреваться с меньшей интенсивностью, чем в области низких температур.

Если с повышением температуры удельная теплоемкость жид­ких топлив возрастает, то с повышением давления она незначи­тельно падает. Так, при 20 °С под давлением 100 ат теплоем­кость топлива Т-1 снижается всего лишь на 5% по сравнению с теплоемкостью под давлением 1 ат (табл. 26).

Для определения удельной теплоемкости могут быть исполь­зованы эмпирические формулы. Так, для определения средней удельной теплоемкости жидких нормальных алканов (с_?) в температурных пределах от 0 до 50 °С предлагается фор­мула:

где п — число углеродных атомов в молекуле углеводорода.

Теплоемкость жидких углеводородных топлив при 0°С можно вычислить по эмпирической формуле:

где ?—плотность топлива (?₄¹⁵); А—коэффициент, равный для алканов 0,42, для ароматических углеводородов группы бензола 0,37, для смесей 0,403.

Ошибка по сравнению с экспериментальными данными для топлив плотностью ?₄¹⁵ =0,72—0,96 в интервале от 0 до 400°С не превышает 4%.

С увеличением плотности теплоемкость углеводородных топлив уменьшается. В зависимости от химического состава товар­ных углеводородных топлив наибольшее различие между их те­плоємкостями может достигать 15%.

Зная плотность, можно подсчитать удельную теплоемкость углеводородной смеси типа керосина при постоянном давлении по формуле:

где ?—плотность при 15,6 °С, г/см³; t — температура, которой со­ответствует теплоемкость, °С.

Истинную удельную теплоемкость при иной температуре и по­стоянном давлениии для углеводородных смесей типа керосина пересчитывают по формуле:

где с_p0 — теплоемкость при 0°С и абсолютном давлении 1 ат, ккал/(кг • град); t — температура, для которой определяется теп­лоемкость; а — коэффициент (для интервала температур от 0 до 200 °С он равен 0,001).

Для термодинамических расчетов и оценки энергетической способности топлив необходимо знать теплоемкость их паров. Зная истинную теплоемкость паров при 0°С, можно рассчитать среднюю теплоемкость паров индивидуальных углеводородов и их смесей в интервале температур от 0 до 300 °С при помощи такого же уравнения:

где с_р — удельная теплоемкость паров при постоянном давлении и температуре от 0 до ккал/(кг • град); с_pо—удельная теп­лоемкость паров при постоянном давлении и температуре 0°С, ккал/(кг- град); t — температура, для которой определяется теп­лоемкость с_р; а — коэффициент, равный для паров алканов, алкенов и топлив 0,0012, для цикланов 0,0015, для ароматических углеводородов 0,0020.

Теплоемкость паров углеводородов возрастает с молекуляр­ным весом углеводородов, а также с увеличением температуры и мало различается для углеводородов различного строения с оди­наковым числом углеродных атомов в молекуле.

В табл. 27 приведена удельная теплоемкость (с_р) паров стан­дартных реактивных топлив Т-1 и Т-5 при абсолютном давлении 1 ат и различных температурах.