Stökiometrisk brännbar blandning

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 26 maj 2019; kontroller kräver 3 redigeringar .

Stökiometrisk brännbar blandning (från annan grekisk στοιχεῖον "bas; element" + μετρέω "Jag mäter") är en blandning av oxidationsmedel och bränsle , i vilken det finns exakt tillräckligt med oxidationsmedel för att helt oxidera bränslet.

Den stökiometriska blandningen säkerställer fullständig förbränning av bränslet utan överskott av oxidantrester i förbränningsprodukterna.

Definitioner

Förhållandet mellan mängden oxidationsmedel och mängden bränsle i förbränningsprocessen eller i blandningen av brännbart bränsle och oxidationsmedel mäts antingen som ett förhållande mellan massor, eller i termer av volymer, eller i termer av antalet mol . Följaktligen finns det mass- , volym- och molförhållanden : $L_{0},$ $L_{V}$ ${\displaystyle L_{M))$

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

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

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

var är massorna av oxidationsmedlet och bränslet;

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

V_{o},\ V_{f}

— Volymer oxidationsmedel och bränsle.

M_{o},\ M_{f}

är den molära mängden oxidationsmedel och bränsle (antal mol).

För gasblandningar av bränsle och oxidationsmedel i enlighet med Avogadros lag $L_{M}=L_{V}.$

Om det i processen med en kemisk förbränningsreaktion i förbränningsprodukterna varken finns ett fritt oxidationsmedel eller oförbränt bränsle, kallas ett sådant förhållande mellan bränsle och oxidationsmedel stökiometrisk.

Till exempel, förbränningsreaktionen av väte i syre med stökiometriska koefficienter:

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

I denna reaktion innehåller förbränningsprodukterna (på höger sida av ekvationen) varken bränsle eller oxidationsmedel, och 2 mol väte kräver 1 mol syre, eller, enligt Avogadros lag, 2 volymer väte 1 volym syre, eller 4 g väte 32 g syre, det vill säga med fullständig förbränning av väte utan överskott av syre: Dessa numeriska värden kallas stökiometriska förhållanden. $L_{Vst}=L_{Mst}=1/2=0.5,$ $L_{0st}=32/4=8.$

Stökiometriska förhållanden beror på typen av bränsle och oxidationsmedel, till exempel vid förbränningsreaktionen av metan i syre:

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

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

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

Oxidationsöverskottsförhållandet är förhållandet mellan det faktiska förhållandet mellan oxidationsmedel och bränsle och det stökiometriska förhållandet:

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

dessutom beror det inte på i vilken form förhållandet mellan oxidationsmedel/bränsle bestäms av massa, molar eller volymetrisk. Uppenbarligen, vid ett stökiometriskt förhållande, oxidationsmedlet/bränslet $\alfa$ $\alpha =1.$

Bränsle/oxidationsmedelsblandningar kallas rika blandningar och magra blandningar. $\alfa < 1$ $\alfa >1$

I utländsk vetenskaplig och teknisk litteratur betecknas överskottsoxidantkoefficienten vanligtvis med bokstaven $\lambda .$

En parameter används också, kallad bränsleöverskottsförhållandet , den reciproka av oxidationsmedlets överskottsförhållande. $\phi =1/\alpha ,$

Luft/bränsleförhållande och luftöverskott

Det vanligaste oxidationsmedlet är atmosfäriskt syre, så begreppet luft / bränsle-förhållande används ofta - förhållandet mellan massan eller volymen av luft till massan eller volymen av bränsle: ${\displaystyle L_{0a))$ ${\displaystyle L_{Va))$

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

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

var finns massorna av luft och bränsle;

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

V_{a},\ V_{f}

— volymer luft och bränsle.

Ibland, vid beräkning enligt stökiometriska förbränningsekvationer, används molförhållandet mellan luft och bränsle, medan det anses att luftens molekylvikt är ungefär lika med 29 g / mol.

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

var är den molära mängden luft och bränsle (antal mol).

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

Bränsle	${\displaystyle L_{0ast))$	${\displaystyle L_{Vast))$	${\displaystyle L_{Mast))$
Väte	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
Bensin B-70	14.7	9430	54,2

Luften innehåller andra gaser som inte är involverade i förbränningsprocessen, främst kväve med en volym (och molar) koncentration på ca 78%. För att beräkna det stökiometriska luft/bränsleförhållandet måste detta kväve och andra inerta gaser beaktas i den kemiska reaktionsekvationen, för att förenkla ekvationskoefficienterna antar vi att det i luft finns 4 molekyler (volym) kväve per 1 molekyl (volym) syre, då blir ekvationen för förbränning av metan i luft:

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

därav följer att för 1 volym metan för stökiometrisk förbränning i luft krävs cirka 10 volymer luft, närmare bestämt 9,66 volymer, beror avvikelsen på att ekvationen inte tar hänsyn till luftens argon med en koncentration av ca 1 vol. % och det exakta volymvärdet för syrekoncentrationen i luften är 20,95 %.

Stökiometriska luft/bränsleförhållanden för vissa bränslen anges i tabellen för luft vid 25°C och 100 kPa .

Förhållandet mellan den faktiska volymen eller massan av luft och den stökiometriska volymen eller massan av luft kallas koefficienten för överskottsluft [1] : $\alfa$

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

Koefficienten för överskottsluft i olika bränsleförbränningsanordningar och motorer

Förbränningsmotorer

Luftöverskottskoefficienten är alltid lika med en för en stökiometrisk blandning. Men i praktiken, i förbränningsmotorer (ICE) skiljer sig denna koefficient från 1. Till exempel 1,03-1,05, vilket är optimalt ur effektivitetssynpunkt för motorer med gnisttändning, beror detta överskott på att p.g.a. ofullständig blandning av bränsle med luft i förgasaren eller cylindern på en bränsleinsprutad motor, en liten ökning behövs för fullständig förbränning av bränslet . Å andra sidan uppnås den högsta motoreffekten, allt annat lika, när man kör på rikare blandningar ( ). Figuren visar beroendet av effekten och verkningsgraden hos en gnisttändningsmotor och luft/bränsleförhållandet för bensin vid vissa värden . För bensin är sålunda det stökiometriska luft/bränsleförhållandet i vikt 14,7, för en propan-butanblandning är detta förhållande 15,6. $\alfa$ $\alfa$ $\alfa$ $\alpha =0.83...0.88$ $\alfa$ $\alfa$

I moderna motorer utförs underhåll nära optimal med ett automatiskt styrsystem för bränsle/luftförhållande. Huvudsensorn i sådana system är sensorn för koncentrationen av fritt syre i motorns avgaser - den så kallade lambda-sonden . $\alfa$

I dieselmotorer, för att undvika stark sotbildning , hålls de på en nivå av 1,1 ... 1,3 [2] . $\alfa$

Gasturbiner

I förbränningskammaren i en gasturbin, till exempel en flygplansmotor, hålls den nära 1. Men framför turbinbladen, för att sänka gastemperaturen, på grund av värmebeständighet hos bladen, gasen från förbränningskammaren späds ut med luft som tas från turbinkompressorn, vilket sänker dess temperatur från cirka 1600 ° C till 1300 ... 1400 ° C, därför är det i avgaserna från turbinen mycket mer än 1 och når 5. $\alfa$ $\alfa$ $\alfa$

Industri-, värme- och hushållspannor

$\alfa$ i sådana pannor beror avsevärt på typen av bränsle. I gaspannor med liten effekt eller produktivitet är det 1,2 ... 1,4, i stora kraftpannor som bränner naturgas - 1,03 ... 1,1. I pannor som arbetar på flytande och fasta bränslen, för fullständig förbränning , hålls den i intervallet från 1,5 till 2 ... 3. $\alfa$ $\alfa$

Anteckningar

↑ GOST R 51847-2001: Gasvattenuppvärmningsanordningar för hushåll typ A och C. Allmänna specifikationer. . Hämtad 14 januari 2018. Arkiverad från originalet 19 oktober 2017. (obestämd)
↑ 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. Förbränning, flamma och explosioner i gaser. Per. från engelska. ed. K. I. Shchelkina, A. A. Borisova. M.: Mir 1968

Länkar

"Runt världen". Konstgjord andning för motorn. Måttlig bensinförbrukning är nyckeln till lång livslängd och hög effektivitet.