Støkiometrisk brændbar blanding

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 26. maj 2019; checks kræver 3 redigeringer .

Støkiometrisk brændbar blanding (fra anden græsk στοιχεῖον "base; element" + μετρέω "Jeg måler") er en blanding af oxidationsmiddel og brændstof , hvori der er nøjagtig nok oxidationsmiddel til fuldstændigt at oxidere brændstoffet.

Den støkiometriske blanding sikrer fuldstændig forbrænding af brændstoffet uden overskydende oxidantrester i forbrændingsprodukterne.

Definitioner

Forholdet mellem mængden af oxidationsmiddel og mængden af brændstof i forbrændingsprocessen eller i blandingen af brændbart brændstof og oxidationsmiddel måles enten som et forhold mellem masser, eller i form af volumener eller i form af antallet af mol . Følgelig er der masse- , volumen- og molforhold : $L_{0},$ $L_{V}$ ${\displaystyle L_{M))$

L_{0}={\frac {m_{o}}{m_{f}}},

L_{V}={\frac {V_{o}}{V_{f}}},

L_{M}={\frac {M_{o}}{M_{f}}},

hvor er masserne af oxidationsmidlet og brændstoffet;

{\displaystyle m_{o},\ m_{f))

V_{o},\ V_{f}

— mængder af oxidationsmiddel og brændstof;

M_{o},\ M_{f}

er den molære mængde af oxidationsmiddel og brændstof (antal mol).

Til gasformige blandinger af brændstof og oxidationsmiddel i overensstemmelse med Avogadros lov $L_{M}=L_{V}.$

Hvis der i processen med en kemisk forbrændingsreaktion i forbrændingsprodukterne hverken er et frit oxidationsmiddel eller uforbrændt brændstof, så kaldes et sådant forhold mellem brændstof og oxidationsmiddel støkiometrisk.

For eksempel forbrændingsreaktionen af brint i oxygen med støkiometriske koefficienter:

{\ce {2H2 + O2 -> 2H2O}}

I denne reaktion indeholder forbrændingsprodukterne (på højre side af ligningen) hverken brændstof eller et oxidationsmiddel, og 2 mol brint kræver 1 mol ilt, eller ifølge Avogadros lov 2 volumener brint 1 volumen ilt, eller 4 g brint 32 g oxygen, det vil sige med fuldstændig forbrænding af brint uden overskydende ilt: Disse numeriske værdier kaldes støkiometriske forhold. $L_{Vst}=L_{Mst}=1/2=0.5,$ $L_{0st}=32/4=8.$

Støkiometriske forhold afhænger af typen af brændstof og oxidationsmiddel, for eksempel i forbrændingsreaktionen af metan i oxygen:

{\ce {CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O))

L_{Vst}=L_{Mst}=2,

L_{0st}=64/16=4.

Oxidationsmiddeloverskudsforholdet er forholdet mellem det faktiske oxidationsmiddel/brændstofforhold og det støkiometriske forhold:

\alpha =L_{0}/L_{0st}=L_{V}/L_{Vst}=L_{M}/L_{Mst},

desuden afhænger det ikke i hvilken form forholdet mellem oxidationsmiddel/brændstof bestemmes af masse, molær eller volumetrisk. Det er klart, i et støkiometrisk forhold, oxidationsmidlet/brændstoffet $\alfa$ $\alpha =1.$

Brændstof/oxidationsmiddelblandinger kaldes rige blandinger og magre blandinger. $\alfa < 1$ $\alfa >1$

I udenlandsk videnskabelig og teknisk litteratur er overskydende oxidantkoefficient normalt angivet med bogstavet $\lambda .$

En parameter bruges også, kaldet brændstofoverskudsforholdet , det gensidige af oxidationsmiddeloverskudsforholdet. $\phi =1/\alpha ,$

Luft/brændstofforhold og overskydende luftforhold

Det mest almindeligt anvendte oxidationsmiddel er atmosfærisk oxygen, så begrebet luft/brændstof-forhold bruges ofte - forholdet mellem massen eller volumen af luft til massen eller volumenet af brændstof: ${\displaystyle L_{0a))$ ${\displaystyle L_{Va))$

L_{0a}={\frac {m_{a}}{m_{f}}},

L_{Va}={\frac {V_{a}}{V_{f}}},

hvor er luft- og brændstofmasserne;

{\displaystyle m_{a},\ m_{f))

V_{a},\ V_{f}

— mængder af luft og brændstof.

Nogle gange, når der beregnes i henhold til støkiometriske forbrændingsligninger, bruges molforholdet mellem luft og brændstof, mens det anses for, at luftens molekylvægt er omtrent lig med 29 g / mol.

L_{Ma}={\frac {M_{a}}{M_{f}}},

hvor er den molære mængde luft og brændstof (antal mol).

{\displaystyle M_{a},\ M_{f))

Brændstof	${\displaystyle L_{0ast))$	${\displaystyle L_{Vast))$	${\displaystyle L_{Mast))$
Brint	34,2	2,43	2.4
Metan	17.2	9,66	9.5
Propan	16.1	24.2	23.5
Butan	15.4	30,8	31,0
Benzin B-70	14.7	9430	54,2

Luften indeholder andre gasser, der ikke er involveret i forbrændingsprocessen, hovedsageligt nitrogen med en volumen (og molær) koncentration på omkring 78%. For at beregne det støkiometriske luft/brændstofforhold skal dette nitrogen og andre inerte gasser tages i betragtning i den kemiske reaktionsligning, for at forenkle ligningskoefficienterne antager vi, at der i luft er 4 molekyler (volumen) nitrogen pr. 1 molekyle (volumen) ilt, så vil ligningen for forbrænding af metan i luft være:

{\ce {CH4 + 2O2 + 8N2 -> CO2 + 2H2O + 8N2))

hvoraf det følger, at der for 1 volumen methan til støkiometrisk forbrænding i luft kræves ca. 10 volumener luft, mere præcist 9,66 volumener, skyldes uoverensstemmelsen, at ligningen ikke tager højde for luftens argon med en koncentration på ca. 1 vol. % og den nøjagtige volumenværdi af iltkoncentrationen i luften er 20,95 %.

Støkiometriske luft/brændstofforhold for nogle brændstoffer er angivet i tabellen for luft ved 25°C og 100 kPa .

Forholdet mellem det faktiske volumen eller massen af luft og det støkiometriske volumen eller massen af luft kaldes koefficienten for overskydende luft [1] : $\alfa$

\alpha =L_{0a}/L_{0ast}=L_{Va}/L_{Vast}=L_{M}/L_{Mst}.

Koefficienten for overskydende luft i forskellige brændstofforbrændingsanordninger og motorer

Forbrændingsmotorer

Overskydende luftkoefficient er altid lig med én for en støkiometrisk blanding. Men i praksis adskiller denne koefficient sig i forbrændingsmotorer (ICE) fra 1. For eksempel 1,03-1,05, hvilket er optimalt ud fra effektivitetssynspunktet for motorer med gnisttænding, skyldes dette overskud, at pga. ufuldkommen blanding af brændstof med luft i karburatoren eller cylinderen på en brændstofindsprøjtet motor, en lille stigning er nødvendig for fuldstændig forbrænding af brændstoffet . På den anden side opnås den højeste motoreffekt, alt andet lige, ved drift på rigere blandinger ( ). Figuren viser afhængigheden af en gnisttændingsmotors effekt og effektivitet og luft/brændstofforholdet for benzin ved nogle værdier . For benzin er det støkiometriske luft/brændstofforhold efter vægt 14,7, for en propan-butanblanding er dette forhold 15,6. $\alfa$ $\alfa$ $\alfa$ $\alpha =0,83...0,88$ $\alfa$ $\alfa$

I moderne motorer udføres vedligeholdelse tæt på optimal ved hjælp af et automatisk brændstof/luftforholdskontrolsystem. Hovedsensoren i sådanne systemer er sensoren for koncentrationen af fri oxygen i motorens udstødningsgasser - den såkaldte lambdasonde . $\alfa$

I dieselmotorer, for at undgå stærk soddannelse , holdes de på et niveau på 1,1 ... 1,3 [2] . $\alfa$

Gasturbiner

I forbrændingskammeret i en gasturbine, for eksempel en flymotor, holdes den tæt på 1. Men foran turbinevingerne, for at reducere gastemperaturen, af hensyn til vingernes varmemodstand, vil gassen være fra forbrændingskammeret fortyndes med luft taget fra turbinekompressoren, hvilket reducerer dens temperatur fra cirka 1600 ° C til 1300 ... 1400 ° C, derfor er det i udstødningsgasserne fra turbinen meget mere end 1 og når 5. $\alfa$ $\alfa$ $\alfa$

Industri-, varme- og boligkedler

$\alfa$ i sådanne kedler afhænger væsentligt af typen af brændstof. I gaskedler med lille kraft eller produktivitet er det 1,2 ... 1,4, i store kraftkedler, der brænder naturgas - 1,03 ... 1,1. I kedler, der opererer på flydende og fast brændsel, for fuldstændighed af forbrænding , opretholdes det i området fra 1,5 til 2 ... 3. $\alfa$ $\alfa$

Noter

↑ GOST R 51847-2001: Gasvandopvarmningsapparater til husholdningsbrug type A og C. Generelle specifikationer. . Hentet 14. januar 2018. Arkiveret fra originalen 19. oktober 2017. (ubestemt)
↑ Klaus Schreiner: Basiswissen Verbrennungsmotor: Fragen-rechnen-verstehen-bestehen . Springer, Wiesbaden, 2014. ISBN 978-3-658-06187-6 . S. 112

Litteratur

Baehr HB Thermodynamik, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1988, ISBN 3-540-18073-7 .
Lewis B., Elbe G. Forbrænding, flamme og eksplosioner i gasser. Om. fra engelsk. udg. K. I. Shchelkina, A. A. Borisova. M.: Mir 1968