Русская Википедия:Стехиометрическая горючая смесь
Стехиометри́ческая горю́чая смесь (от Шаблон:Lang-grc «основа; элемент» + Шаблон:Lang-grc2 «измеряю») — смесь окислителя и горючего, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего.
Стехиометрическая смесь обеспечивает полное сгорание топлива без остатка избыточного окислителя в продуктах горения.
Определения
Отношение количества окислителя к количеству топлива в процессе сжигания или в горючей смеси топливо — окислитель измеряют либо в виде отношения масс, либо в отношении объёмов, либо в отношении количества молей. Соответственно, различают массовое <math>L_0,</math>, объёмное <math>L_V</math> и молярное <math>L_M</math> отношения:
- <math>L_0 = \frac {m_o} {m_{f}},</math>
- <math>L_V = \frac {V_o} {V_{f}},</math>
- <math>L_M = \frac {M_o} {M_{f}},</math>
- где <math>m_o,\ m_{f}</math> — массы окислителя и топлива;
- <math>V_o,\ V_{f}</math> — объёмы окислителя и топлива;
- <math>M_o,\ M_{f}</math> — молярное количество окислителя и топлива (число молей).
Для газообразных смесей топлива и окислителя в соответствии с законом Авогадро <math>L_M = L_V.</math>
Если в процессе химической реакции горения в продуктах горения не будет ни свободного окислителя, ни несгоревшего топлива, то такое соотношение топлива и окислителя называют стехиометрическим.
Например, реакция горения водорода в кислороде со стехиометрическими коэффициентами:
- <chem>2H2 + O2 -> 2H2O</chem>.
В этой реакции в продуктах горения (в правой части уравнения) нет ни горючего, ни окислителя, причём на 2 моля водорода требуется 1 моль кислорода, или, по закону Авогадро, на 2 объёма водорода 1 объём кислорода, или на 4 г водорода 32 г кислорода, то есть, при полном сгорании водорода без избытка кислорода: <math>L_{Vst} = L_{Mst} = 1/2 = 0,5,</math> <math>L_{0st} = 32/4 = 8.</math> Эти численные значения называют стехиометрическими отношениями.
Стехиометрические отношения зависят от вида топлива и окислителя, например, в реакции горения метана в кислороде:
- <chem>CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O</chem>
- <math>L_{Vst} = L_{Mst} = 2,</math> <math>L_{0st} = 64/16 = 4.</math>
Коэффициентом избытка окислителя называют отношение фактического отношения окислитель/топливо к стехиометрическому:
- <math>\alpha = L_0/L_{0st} = L_V/L_{Vst} = L_M/L_{Mst},</math>
причём <math>\alpha</math> не зависит в каком виде определено отношение окислитель/топливо массовом, молярном или объёмном. Очевидно, что при стехиометрическом отношении окислитель/топливо <math>\alpha = 1.</math>
Смеси топливо/окислитель у которых <math>\alpha < 1</math> называют богатыми смесями, а <math>\alpha > 1</math> — бедными.
В зарубежной научно-технической литературе коэффициент избытка окислителя обычно обозначают буквой <math>\lambda.</math>
Также используется параметр, называемый коэффициентом избытка топлива <math>\phi = 1/\alpha,</math> величина, обратная к коэффициенту избытка окислителя.
Отношение воздух/топливо и коэффициент избытка воздуха
Наиболее часто используемый окислитель — кислород атмосферного воздуха, поэтому часто используется понятие коэффициент отношения воздух/топливо — отношение массы <math>L_{0a}</math> или объёма <math>L_{Va}</math> воздуха к массе или объёму топлива:
- <math>L_{0a} = \frac {m_a} {m_{f}},</math>
- <math>L_{Va} = \frac {V_a} {V_{f}},</math>
- где <math>m_a,\ m_f</math> — массы воздуха и топлива;
- <math>V_a,\ V_f</math> — объёмы воздуха и топлива.
Иногда, при расчётах по стехиометрическим уравнениям горения, применяют молярное отношение воздуха к топливу, при этом считают, что молекулярная масса воздуха примерно равна 29 г/моль.
- <math>L_{Ma} = \frac {M_a} {M_{f}},</math>
- где <math>M_a,\ M_{f}</math> — молярное количество воздуха и топлива (число молей).
| Горючее | <math>L_{0ast}</math> | <math>L_{Vast}</math> | <math>L_{Mast}</math> |
|---|---|---|---|
| Водород | 34,2 | 2,43 | 2,4 |
| Метан | 17,2 | 9,66 | 9,5 |
| Пропан | 16,1 | 24,2 | 23,5 |
| Бутан | 15,4 | 30,8 | 31,0 |
| Бензин Б-70 | 14,7 | 9430 | 54,2 |
Воздух содержит другие газы, не участвующие в процессе горения, в основном это азот с объёмной (и молярной) концентрацией около 78 %. Для расчёта стехиометрического соотношения воздух/топливо этот азот и другие инертные газы нужно учитывать в уравнении химической реакции, для простоты коэффициентов уравнения примем, что в воздухе на 1 молекулу (объём) кислорода приходится 4 молекулы (объёма) азота, тогда уравнение горения метана в воздухе будет:
- <chem>CH4 + 2O2 + 8N2 -> CO2 + 2H2O + 8N2</chem>,
откуда следует, что на 1 объём метана для стехиометрического горения в воздухе требуется приблизительно 10 объёмов воздуха, точнее — 9,66 объёмов, расхождение обусловлено тем, что в уравнении не учтён аргон воздуха с концентрацией около 1 об. % и точное объемное значение концентрации кислорода в воздухе равное 20,95 %.
Стехиометрические отношения воздух/топливо для некоторых топлив приведены в таблице для воздуха при температуре 25°С и давлении 100 кПа.
Отношение фактического объёма или массы воздуха к стехиометрическому объёму или массе воздуха называют коэффициентом избытка воздуха <math>\alpha</math>[1]:
- <math>\alpha = L_{0a}/L_{0ast} = L_{Va}/L_{Vast} = L_M/L_{Mst}.</math>
Коэффициент избытка воздуха в различных топливосжигающих устройствах и двигателях
Двигатели внутреннего сгорания
Коэффициент избытка воздуха <math>\alpha</math> всегда для стехиометрической смеси равен единице. Но практически в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) этот коэффициент отличается от 1. Так например, оптимальный с точки зрения экономичности <math>\alpha</math> для двигателей с искровым зажиганием 1,03—1,05, это превышение обусловлено тем, что из-за несовершенства смешения топлива с воздухом в карбюраторе или цилиндре двигателя с впрыском топлива для полного сгорания топлива необходимо небольшое увеличение <math>\alpha</math>. С другой стороны, наибольшая мощность двигателя при прочих равных достигается при работе на более богатых смесях (<math>\alpha = 0,83...0,88</math>). На рисунке показаны зависимости мощности и экономичности двигателя с искровым зажиганием от <math>\alpha</math> и соотношения воздух/топливо для бензина при некоторых значениях <math>\alpha</math>. Так, для бензина стехиометрическое соотношение воздух/топливо по массе составляет 14,7, для смеси пропан-бутан это соотношение равно 15,6.
В современных двигателях поддержание <math>\alpha</math> близкого к оптимальному осуществляется с помощью автоматической системы управления соотношением топливо/воздух. Основным датчиком в таких системах служит датчик концентрации свободного кислорода в выхлопных газах двигателя — так называемый лямбда-зонд.
В дизельных двигателях для исключения сильного сажеобразования <math>\alpha</math> поддерживают на уровне 1,1…1,3[2].
Газовые турбины
В камере сгорания газовой турбины, например двигателя самолёта <math>\alpha</math> поддерживается близким к 1. Но перед лопатками турбины для снижения температуры газа из соображений жаропрочности лопаток газ из камеры сгорания разбавляется воздухом, отбираемым от компрессора турбины, что снижает его температуру от приблизительно 1600 °C до 1300…1400 °C, поэтому <math>\alpha</math> в выхлопных газах турбины <math>\alpha</math> значительно больше 1 и достигает 5.
Промышленные, отопительные и бытовые котлы
<math>\alpha</math> в таких котлах существенно зависит от вида топлива. В газовых котлах небольшой мощности или производительности <math>\alpha</math> составляет 1,2…1,4, в крупных энергетических котлах сжигающих природный газ — 1,03…1,1. В котлах, работающих на жидком и твёрдом топливе для полноты сгорания <math>\alpha</math> поддерживается в пределах от 1,5 до 2…3.
Примечания
Литература
- Baehr H. B. Thermodynamik, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1988, ISBN 3-540-18073-7.
- Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. Пер. с англ. под ред. К. И. Щелкина, А. А. Борисова. М.: Мир 1968
Ссылки
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Klaus Schreiner: Basiswissen Verbrennungsmotor: Fragen — rechnen — verstehen — bestehen. Springer, Wiesbaden, 2014. ISBN 978-3-658-06187-6. S. 112
