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La combinación dimetilhidracina asimétrica / tetróxido de dinitrógeno (C2H8N2/N2O4, o UDMH/NTO), es muy usada en propulsión espacial. Se pide:

a) Para comparar, calcular primero la entalpía estándar de la reacción de combustión completa de la UDMH con oxígeno puro, interpretando el signo obtenido.

b) Calcular la entalpía estándar para la reacción de combustión completa de la UDMH con el NTO, interpretando el signo obtenido.

c) Comparar ambos procesos de combustión, indicando las ventajas de usar NTO.

d) Calcular la relación másica estequiométrica oxidante/combustible y la temperatura de combustión adiabática.

Datos:

>	read`../therm_chem.m`:with(therm_chem):with(therm_proc):

>	su1:="C2H8N2":su2:="N2O4":su3:="N2":su4:="CO2":su5:="O2":su6:="H2O":dat:=[]:

Eqs. const.:

>	dat:=op(dat),op(subs(g=g0,[Const])),SI2,SI1:N2dat:=get_gas_data("N2"):CO2dat:=get_gas_data("CO2"):O2dat:=get_gas_data("O2"):Wdat:=get_gas_data(su6):eqUDMH:=Mf(su1);eqNTO:=Mf(su2);

a) Para comparar, calcular primero la entalpía estándar de la reacción de combustión completa de la UDMH con oxígeno puro, interpretando el signo obtenido.

Tomamos los datos termoquímicos de la Tabla.

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eq1:=eq_fit(C2H8N2+a*O2=b*N2+c*H2O+d*CO2);hr_std:=2*h[f,CO2]+4*h[f,H2O]+h[f,N2]-h[f,N2H8C2]-4*h[f,O2];hgsC2H8N2:=get_hgs_data("C2H8N2(l)");hgsO2:=get_hgs_data("O2(g)");hgsCO2:=get_hgs_data("CO2(g)");hgsH2O:=get_hgs_data("H2O(l)");hgsN2:=get_hgs_data("N2(g)");hr_std_:=2*hgsCO2[1]+4*hgsH2O[1]+hgsN2[1]-hgsC2H8N2[1]-4*hgsO2[1];hr_std__:=hr_std_/rhs(eqUDMH);da:=[hgs_r25(eq1)]:eqRstd,'hr'=da[1],'gr'=da[2],'sr'=da[3];

	(1)

i.e. hr=-1980 kJ/mol=33 MJ/kg, y su signo negativo indica que esta descomposición es exotérmica; gr<0 indica que es espontánea, y sr<0 indica que disminuye la entropía (un mol de líquido más 4 moles de gas dan 3 moles de gases más 4 de líquido, i.e. básicamente 4 dan 3).

b) Calcular la entalpía estándar para la reacción de combustión completa de la UDMH con el NTO, interpretando el signo obtenido.

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eq1:=eq_fit(C2H8N2+a*N2O4=b*N2+c*H2O+d*CO2);hr_std:=2*h[f,CO2]+4*h[f,H2O]+3*h[f,N2]-h[f,N2H8C2]-2*h[f,N2O4];hgsN2O4:=get_hgs_data("N2O4(g)");hgsN2O4_:=get_hgs_data("N2O4(l)");hr_std_g:=2*hgsCO2[1]+4*hgsH2O[1]+3*hgsN2[1]-hgsC2H8N2[1]-2*hgsN2O4[1];hr_std_g_:=hr_std_g/rhs(eqUDMH);hr_std_l:=2*hgsCO2[1]+4*hgsH2O[1]+3*hgsN2[1]-hgsC2H8N2[1]-2*hgsN2O4_[1];hr_std_l_:=hr_std_l/rhs(eqUDMH);da:=[hgs_r25(eq1)]:eqRstd,'hr'=da[1],'gr'=da[2],'sr'=da[3];eq1_:=eq1:

	(2)

i.e. en estado estándar hr=-1997 kJ/mol=32,8 MJ/kg, y su signo negativo indica que esta descomposición es exotérmica; gr<0 indica que es espontánea, y sr>0 indica que la entropía aumenta (1 mol de líquido más 2 moles de gas dan 5 moles de gases más 4 de líquido; y a mayor temperatura darían 9 moles de gas).

Si se considera el N2O4(liq), varía un poco: hr=-1940 kJ/mol=32,3 MJ/kg.

c) Comparar ambos procesos de combustión, indicando las ventajas de usar NTO.

Los poderes caloríficos son casi iguales, pero el NTO se licúa fácilmente mientras que el O2 necesita mantenerse a temperaturas criogénicas (LOX), y es mejor para propulsión porque genera más gases (9 moles frente a 7 moles). Además, el NTO es hipergólico con la hidracina y sus derivados (no necesita ignición).

NOTA. En lugar de usar el NTO puro (N2O4, pero en realidad es una mezcla en equilibrio de N2O4 y NO2), se prefiere usar una mezcla de NTO con algo de NO (óxido nítrico) para disminuir el punto de congelación y la corrosión de los depósitos de titanio), y se denomina MON (mixed oxides of nitrogen). Se usa la UDMH en vez de la hidracina (N2H4) porque no congela tan pronto y es más estable, pero todas estas sustancias son tóxicas y carcinógenas.

d) Calcular la relación másica estequiométrica oxidante/combustible y la temperatura de combustión adiabática.

>	eq1;ROF_stq:=2*M[NTO]/M[UDMH];ROF_stq_:=2*rhs(eqNTO)/rhs(eqUDMH);Tad:=T25+PCI/(2*c[p,CO2]+4*c[p,H2O]+3*c[p,N2]);PCS_l:='-hr_std_l';PCS_l:=-hr_std_l;PCI_l:='PCS_l-4*h[LV,H2O]';PCI_l:=PCS_l-4*44e3*J_/mol_;Tad_:=subs(PCI=PCI_l,cpComp,dat,Tad);'Tad_'=TKC(%);

	(3)

i.e. la relación másica de oxidante/combustible estequiométrica (NTO/UDMH) es de 3,1 a 1 (ROF=3,1). La temperatura de combustión adiabática para la proporción UDMH/NTO estequiométrica sería de 4770 K (algo menor porque deberíamos haber usado valores mayores para los cp a tan altas temperatura).

NOTA. En realidad no se combinan en proporción estequiométrica (i.e. ROFesteq=3,1, sino que se hace con ROF=2 para aumentar el impulso especícifo (Isp), no alcanzándose más que 3200..3300 K en la cámara (que suele operar a 7 MPa). Este gran descenso de temperatura es debido a que no se oxida del todo el C a CO2 y el H a H2O, sino que se forma mucho CO y H2. Ejemplo:

>	eq_fit(C2H8N2+(4/3)*N2O4=a*CO+b*N2+c*H2O+0*CO2+e*H2);

(4)

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