Stechiometrická hořlavá směs

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 26. května 2019; kontroly vyžadují 3 úpravy .

Stechiometrická hořlavá směs (z jiného řeckého στοιχεῖον „základ; prvek“ + μετρέω „měřím“) je směs okysličovadla a paliva , ve které je přesně tolik okysličovadla, aby palivo zcela zoxidovalo.

Stechiometrická směs zajišťuje dokonalé spálení paliva bez přebytečných zbytků oxidantu ve zplodinách hoření.

Definice

Poměr množství okysličovadla k množství paliva ve spalovacím procesu nebo ve směsi hořlavého paliva a okysličovadla se měří buď jako poměr hmotností, nebo objemů, nebo jako počet molů . Podle toho existují hmotnostní , objemové a molární poměry: $L_{0},$ $L_{V}$ ${\displaystyle L_{M))$

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

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

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

kde jsou hmotnosti okysličovadla a paliva;

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

V_{o},\ V_{f}

— objemy okysličovadla a paliva;

M_{o},\ M_{f}

je molární množství okysličovadla a paliva (počet molů).

Pro plynné směsi paliva a okysličovadla v souladu s Avogadrovým zákonem $L_{M}=L_{V}.$

Pokud se v procesu chemické reakce spalování ve zplodinách hoření nevyskytuje ani volné okysličovadlo, ani nespálené palivo, pak se takový poměr paliva a okysličovadla nazývá stechiometrický.

Například spalovací reakce vodíku v kyslíku se stechiometrickými koeficienty:

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

Při této reakci produkty spalování (na pravé straně rovnice) neobsahují ani palivo, ani oxidační činidlo a 2 moly vodíku vyžadují 1 mol kyslíku, nebo podle Avogadrova zákona 2 objemy vodíku 1 objem kyslíku nebo 4 g vodíku 32 g kyslíku, to znamená při úplném spálení vodíku bez přebytku kyslíku: Tyto číselné hodnoty se nazývají stechiometrické poměry. $L_{Vst}=L_{Mst}=1/2=0,5,$ $L_{0st}=32/4=8.$

Stechiometrické poměry závisí na typu paliva a okysličovadla, například při spalovací reakci metanu v kyslíku:

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

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

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

Poměr přebytku okysličovadla je poměr skutečného poměru okysličovadlo/palivo ke stechiometrickému poměru:

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

navíc nezáleží na tom, v jaké formě je hmotnostní, molární nebo objemový poměr okysličovadla/paliva určen. Je zřejmé, že ve stechiometrickém poměru oxidační činidlo/palivo $\alpha$ $\alpha =1.$

Směsi paliva a oxidačního činidla se nazývají bohaté směsi a chudé směsi. $\alpha < 1$ $\alpha >1$

V zahraniční vědecké a technické literatuře se přebytečný oxidační koeficient obvykle označuje písmenem $\lambda .$

Používá se také parametr, nazývaný poměr přebytku paliva , převrácená hodnota poměru přebytku okysličovadla. $\phi =1/\alpha ,$

Poměr vzduch/palivo a poměr přebytku vzduchu

Nejčastěji používaným oxidačním činidlem je vzdušný kyslík, proto se často používá koncept poměru vzduch / palivo - poměr hmotnosti nebo objemu vzduchu k hmotnosti nebo objemu paliva: ${\displaystyle L_{0a))$ ${\displaystyle L_{Va))$

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

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

kde jsou hmotnosti vzduchu a paliva;

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

V_{a},\ V_{f}

— objemy vzduchu a paliva.

Někdy se při výpočtu podle stechiometrických rovnic spalování používá molární poměr vzduchu k palivu, přičemž se má za to, že molekulová hmotnost vzduchu je přibližně rovna 29 g / mol.

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

kde je molární množství vzduchu a paliva (počet molů).

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

Pohonné hmoty	${\displaystyle L_{0ast))$	${\displaystyle L_{Vast))$	${\displaystyle L_{Stěžeň))$
Vodík	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
Benzín B-70	14.7	9430	54,2

Vzduch obsahuje další plyny, které se neúčastní procesu spalování, především dusík s objemovou (a molární) koncentrací asi 78 %. Pro výpočet stechiometrického poměru vzduch/palivo je třeba tento dusík a další inertní plyny zohlednit v rovnici chemické reakce, pro jednoduchost koeficientů rovnice předpokládáme, že ve vzduchu jsou 4 molekuly (objem) dusíku na 1 molekulu (objem) kyslíku, pak rovnice pro spalování metanu ve vzduchu bude:

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

z toho plyne, že na 1 objem metanu pro stechiometrické spalování na vzduchu je potřeba přibližně 10 objemů vzduchu, přesněji 9,66 objemů, nesoulad je způsoben tím, že rovnice nebere v úvahu argon vzduchu s a. koncentrace asi 1 obj. % a přesná objemová hodnota koncentrace kyslíku ve vzduchu je 20,95 %.

Stechiometrické poměry vzduch/palivo pro některá paliva jsou uvedeny v tabulce pro vzduch při 25 °C a 100 kPa .

Poměr skutečného objemu nebo hmotnosti vzduchu ke stechiometrickému objemu nebo hmotnosti vzduchu se nazývá koeficient přebytku vzduchu [1] : $\alpha$

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

Koeficient přebytku vzduchu v různých zařízeních a motorech spalujících palivo

Spalovací motory

Koeficient přebytku vzduchu je vždy roven jedné pro stechiometrickou směs. Ale v praxi se u spalovacích motorů (ICE) tento koeficient liší od 1. Například 1,03-1,05, což je optimální z hlediska účinnosti pro motory se zážehovým zapalováním, je tento přebytek způsoben tím, že kvůli nedokonalé promíchání paliva se vzduchem v karburátoru nebo válci motoru se vstřikováním paliva, k úplnému shoření paliva je potřeba malé zvýšení . Na druhé straně nejvyššího výkonu motoru, za jinak stejných podmínek, je dosaženo při provozu na bohatší směsi ( ). Obrázek ukazuje závislost výkonu a účinnosti zážehového motoru na poměru vzduch/palivo u benzínu při některých hodnotách . Pro benzín je tedy hmotnostní stechiometrický poměr vzduch/palivo 14,7, pro směs propan-butan je tento poměr 15,6. $\alpha$ $\alpha$ $\alpha$ $\alpha =0,83...0,88$ $\alpha$ $\alpha$

U moderních motorů se udržování v blízkosti optimálního stavu provádí pomocí automatického řídicího systému poměru palivo/vzduch. Hlavním snímačem v takových systémech je snímač koncentrace volného kyslíku ve výfukových plynech motoru - tzv. lambda sonda . $\alpha$

U dieselových motorů, aby se zabránilo silné tvorbě sazí , jsou udržovány na úrovni 1,1 ... 1,3 [2] . $\alpha$

Plynové turbíny

Ve spalovací komoře plynové turbíny, například leteckého motoru, se udržuje blízko 1. Ale před lopatkami turbíny, aby se snížila teplota plynu, je z důvodů tepelné odolnosti lopatek plyn ze spalovací komory se ředí vzduchem odebíraným z turbínového kompresoru, který snižuje jeho teplotu z přibližně 1600 °C na 1300 ... 1400 °C, proto je ve výfukových plynech turbíny mnohem více než 1 a dosahuje 5. $\alpha$ $\alpha$ $\alpha$

Průmyslové, topné a domácí kotle

$\alpha$ u takových kotlů výrazně závisí na druhu paliva. U plynových kotlů malého výkonu nebo produktivity je to 1,2 ... 1,4, u velkých kotlů spalujících zemní plyn - 1,03 ... 1,1. U kotlů na kapalná a pevná paliva se pro úplnost spalování udržuje v rozmezí od 1,5 do 2 ... 3. $\alpha$ $\alpha$

Poznámky

↑ GOST R 51847-2001: Zařízení na ohřev vody plynem pro domácnost typu A a C. Všeobecné specifikace. . Získáno 14. ledna 2018. Archivováno z originálu 19. října 2017. (neurčitý)
↑ Klaus Schreiner: Basiswissen Verbrennungsmotor: Fragen-rechnen-verstehen-bestehen . Springer, Wiesbaden, 2014. ISBN 978-3-658-06187-6 . S. 112

Literatura

Baehr HB Thermodynamik, Springer-Verlag, Berlín/Heidelberg 1988, ISBN 3-540-18073-7 .
Lewis B., Elbe G. Spalování, plamen a výbuchy v plynech. Za. z angličtiny. vyd. K. I. Shchelkina, A. A. Borisova. M.: Mir 1968

Odkazy

"Okolo světa". Umělé dýchání pro motor. Umírněná spotřeba benzínu je klíčem k dlouhé životnosti a vysoké účinnosti.