Химические реакции при сгорании жидкого топлива

Элементарный состав 1 кг топлива определяется из уравнения:

С + Н + О_Т = 1 кг

При полном сгорании топлива предполагается, что в результате реакции углерода и водорода с кислородом воздуха образуется соответственно углекислый газ и водяной пар. Это окисление можно записать формулами:

С + О₂ = СО₂ и 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

При расчете исходных и конечных продуктов реакции в массовых единицах получим:

для углерода С массой С кг:

Скг[C] + 8/3Cкг[O₂] = 11/3Cкг[CO₂];

для водорода Н₂ массой Нкг:

Нкг[H₂] + 8Hкг[O₂] = 9Hкг[H₂O];

или в [кмоль]:

Скг[C] + С/12 кмоль[O₂] = С/12 кмоль[CO₂];

Нкг[H₂] + H/4 кмоль[O₂] = H/2 кмоль[H₂O].

При сгорании углерода объем кислорода, участвующего в реакции, равен объему продуктов сгорания. При сгорании водорода объем кислорода вдвое меньше объема получающегося водяного пара.

Наименьшее количество кислорода, которое требуется подвести извне к топливу для полного его окисления, называется теоретически необходимым количеством кислорода. Известно, что для сгорания 1кг топлива необходимо

О_о = С/12 + Н/4 – О_т/32, [к моль]

количество воздуха

L_о = 1/0,21(C/12 + H/4 - O/32), [кмоль]

Количество воздуха для сгорания газообразного топлива с составом типа C_nH_mO_r равно

L_о = 1/0,21 (n + m/4 - r/2)C_nH_mO_r (моль или м³)

C_nH_mO_r - объемные доли отдельных компонентов в газообразном топливе.

Коэффициент избытка воздуха

В ДВС в зависимости от способа смесеобразования, воспламенения и сгорания топлива, режима работы количество потребляемого воздуха может быть больше теоретически необходимого для полного сгорания, равно ему или меньше.

Отношение действительного количества воздуха, поступившего в цилиндр, к количеству воздуха теоретически необходимого для сгорания 1кг топлива, называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается через :

(кг) =L/L_o (кмоль)

L=L_о - стехиометрическая смесь;

L>L_о >1 - обедненная смесь;

L<L_о <1 - обогащенная смесь.

В бензиновых двигателях с воспламенением однородной смеси от искры и смешанным регулированием при полностью открытой заслонке наибольшая экономичность и достаточно устойчивое протекание процесса горения достигается при =1,1...1,3. Максимальная мощность этих двигателей обеспечивается при некотором обогащении рабочей смеси до =0,85...0,9. Устойчивая работа двигателя на холостом ходу и малых нагрузках требует большего обогащения смеси.

При < 1 из-за недостатка кислорода топливо не сгорает полностью, вследствие чего происходит неполное выделение теплоты при сгорании и в отработанных газах появляются продукты неполного сгорания (окисления) (CO, H, CH₄ и др.).

 

В дизелях с применением качественного регулирования, коэффициент в зависимости от нагрузки меняется в широких пределах (от 5 и более при малой нагрузке и до 1,4-1,25 при полной).

 

Рис.4.2. Пределы изменения коэффициента в зависимости от нагрузки

1 - карбюраторный ДВС; 2 - дизельный ДВС.

4.4. Горючая смесь и состав продуктов сгорания при (полное сгорание)

В карбюраторных двигателях воздух и топливо в виде горючей смеси поступают в цилиндр в процессе впуска. При полном сгорании 1кг топлива общее количество рабочей смеси, состоящей из паров топлива и воздуха

(кмоль),

где - молекулярная масса топлива.

В дизелях топливовоздушная смесь образуется в процессе впрыска и в течение процесса горения. Вследствие этого, а также из-за малого объема, занимаемого жидким топливом, не учитывая молекулярную массу получим

(кмоль)

Для газообразного топлива (в кмоль и м³)

Для любого вида топлива масса смеси (в кг)

При полном сгорании 1кг жидкого топлива ( ) продукты сгорания состоят из образовавшихся в процессе реакции углекислого газа, водяного пара, избыточного ₂кислорода и азота:

M = M_со + M + M_о + M_N

Количества отдельных составляющих продуктов сгорания (в кмоль) определяется по формулам:

M_со=С/12 М =Н/2

М_о=0,21( -1)L_о М_N=0,79

Тогда суммарное количество продуктов сгорания равно:

M₂ = С/12 + Н/2 + 0,21( -1)L_о + 0,79 L_о = С/12 + Н/2 + ( -0,21)L_о

Если для стехиометрической смеси ( =1)

(M₂) =C/12 + Н/2 + 0,79 L_о,

то можно записать

(M₂) = (M₂) + ( -1)L_о,

где ( -1)L_о - избыточный воздух

или

(M₂) = 0,21( -1)L_о + 0,79( -1)L_о,

где 0,21( -1)L_о - избыток О₂;

0,79( -1)L_о - избыток N₂.

Таким образом, число киломолей продуктов сгорания складывается из продуктов сгорания при =1 и избыточного воздуха, не участвующего в сгорании топлива.

На практике при сгорании топливовоздушной смеси даже при >1 полного сгорания топлива не происходит. Этому способствует неоднородность топливной смеси по зонам в камере сгорания, что объясняется неравномерным распределением топлива по объему и более медленным его сгоранием в пристеночных слоях (особенно в дизелях, поэтому делают большой избыток воздуха). Совершенство сгорания оценивается анализом отработавших газов.

4.5. Горючая смесь и состав продуктов сгорания при <1 2

(неполное сгорание)

На некоторых режимах работы ДВС с искровым зажиганием необходимо обогащать горючую смесь. В этих условиях из-за недостатка кислорода образуется СО, а часть водорода не реагирует с кислородом. Анализ отработанных газов показывает, что при < 1 отношение числа молей водорода и окиси углерода примерно постоянно для данного топлива независимо от величины коэффициента избытка воздуха. Обозначим это отношение

K = M_н/M_со.

Согласно опытам для бензинов, у которых Н/С=0,17...0,19, отношение К=0,45...0,5, а при Н/С=0,13 К=0,3.

Продукты сгорания при <1 состоят из следующих газов:

М₂ = М_со + М_со + М + М_н + М_N.

Из реакции сгорания С следует, что для образования СО и СО₂ требуются одинаковые количества углерода. Если сгорает 1кг топлива, то из содержащегося в нем углерода С/12 получается

М_со + М_со = С/12.

Аналогично для водяного пара и водорода

М + М_н = Н/2.

Содержание азота М_N = 0,79 L_о.

Суммарное количество киломолей компонентов продуктов сгорания:

М₂ = С/12 + Н/2 + 0,79 L_о.

Составим баланс расходуемого кислорода:

М₂ + _Мсо/2 + М_но/2 = 0,21 L_о + О_т/32.

Совместное решение двух предыдущих уравнений позволяет определить число киломолей каждого газа в продуктах сгорания:

М_со=0,42(1- /(1-К)L_о М_со=С/12-0,42(1- )/(1+К)L_о

М_н=0,42К(1- )/(1+К)L_о М_но=Н/2-0,42К(1- )/(1+К)L_о

М_N=0,79 L_о.

По мере обогащения смеси увеличивается количество СО и уменьшается СО₂. При определенном значении коэффициент избытка воздуха М_со=0, а дальнейшее обогащение приводит к появлению в продуктах сгорания несгоревшего углерода. При этом могут образовываться также оксиды азота, серы, соединения свинца.

Теплота сгорания

Качество топлива определяется теплотой сгорания, т.е. количеством теплоты, выделившемся при полном сгорании массовой (для жидкого) и объемной (для газообразного) единицы топлива.

Теплоту сгорания определяют в специальной калориметрической установке (ГОСТ 21261-75). При определении количества выделившейся теплоты продукты сгорания (т.е. углекислый газ и водяной пар), образующиеся в процессе реакции, охлаждают до первоначальной температуры. В этом случае водяной пар конденсируется с выделением теплоты. Таким образом определяют высшую теплоту сгорания Н_о - все количество теплоты, выделившееся в результате реакции.

В ДВС газы удаляются при температуре гораздо выше температуры конденсации водяного пара. Поэтому расчеты ведут по низшей теплоте сгорания Н_н, которая меньше высшей Н_о на величину скрытой теплоты парообразования воды.

Если известна Н_о, то Н_н определяется из уравнения:

Н_н = Н_о - r_в(9H + W) = Н_о - 2,512 10⁶(9H + W),

где r_в - значение скрытой теплоты парообразования 1кг воды, r_в=2,512 10⁶;

9H - количество водяного пара, образующегося при сгорании Н кг водорода, находящегося в 1 кг топлива;

W - количество воды, содержащейся в 1 кг топлива для газообразного топлива.

Н_н = 2,512 10⁶[18/22,4 (m/2 C_nH_mO_r + W^'')]

где 18/22,4 m/2 C_nH_mO_r - количество водяного пара, образовавшегося при сгорании топлива;

W' - количество влаги в газе.

Топливо образует с воздухом топливовоздушную смесь. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 киломоля такой смеси при >1, характеризует удельную теплоту сгорания и обозначается

Н_см = Н_н/М₁ = Н_н/( L_о + 1/ ).

где - молекулярная масса топлива; =110...120 кг/моль - для автобензина; =180...200 кг/моль - для дизтоплива.

В случае недостатка воздуха ( <1) имеет место неполнота выделения теплоты на величину Н_н, которая определяется по эмпирической зависимости

; [Дж/кг]

Теплота сгорания такой смеси в этом случае, т.е. при <1

Н_см = (Н_н - Н_н)/( L_о + 1/ )

или

Н_см = (Н_н - Н_н)/(1 + )

Потери теплоты (кДж) вследствие неполного сгорания 1кг топлива определяется по формуле:

Н_н = 119950(1- )L_о, [кДж].

---

Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 1259; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!