Стехиометрическая горючая смесь

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Стехиометри́ческая горю́чая смесь (от др.-греч. στοιχεῖον — основа, элемент и μετρέω — 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[править | править код]

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 , объёмное и молярное отношения:

где  — массы окислителя и топлива;
 — объёмы окислителя и топлива;
 — молярное количество окислителя и топлива (число молей).

Для газообразных смесей топлива и окислителя в соответствии с законом Авогадро

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:

.

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: Эти численные значения называют стехиометрическими отношениями.

Стехиометрические отношения зависят от вида топлива и окислителя, например, в реакции горения метана в кислороде:

Коэффициентом избытка окислителя называют отношение фактического отношения окислитель/топливо к стехиометрическому:

причём не зависит в каком виде определено отношение окислитель/топливо масоовом, молярном или объёмном. Очевидно, что при стехиометрическом отношении окислитель/топливо

Смеси топливо/окислитель у которых называют богатыми смесями, а  — бедными.

В зарубежной научно-технической литературе коэффициент избытка окислителя обычно обозначают буквой

Также используется параметр, называемый коэффициентом избытка топлива величина, обратная к коэффициенту избытка окислителя.

Отношение воздух/топливо и коэффициент избытка воздуха[править | править код]

Наиболее часто используемый окислитель — кислород атмосферного воздуха, поэтому часто используется понятие коэффициент отношения воздух/топливо — отношение массы или объёма воздуха к массе или объёму топлива:

где  — массы воздуха и топлива;
 — 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.

где  — молярное количество воздуха и топлива (число молей).
Горючее
Водород 34,2 2,43 2,4
Метан 17,2 9,66 9,5
Пропан 15,6 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:

,

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 [1]:

Коэффициент избытка воздуха в различных топливосжигающих устройствах и двигателях[править | править код]

Зависимости мощности и удельного расхода топлива для ДВС с искровым зажиганием от коэффициента избытка воздуха

Двигатели внутреннего сгорания[править | править код]

Коэффициент избытка воздуха 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 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 . С другой стороны, наибольшая мощность двигателя при прочих равных достигается при работе на более богатых смесях ( На рисунке показаны зависимости мощности и экономичности двигателя с искровым зажиганием от и соотношения воздух/топливо для бензина при некоторых значениях . 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 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 поддерживают на уровне 1,1…1,3[2].

Газовые турбины[править | править код]

В камере сгорания газовой турбины, например двигателя самолёта 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 в выхлопных газах турбины значительно больше 1 и достигает 5.

Промышленные, отопительные и бытовые котлы[править | править код]

в таких котлах существенно зависит от вида топлива. В газовых котлах небольшой мощности или производительности составляет 1,2…1,4, в крупных энергетических котлахсжигающих природный газ — 1,03…1,1. В котлах, работающие на жидком и твёрдом топливе для полноты сгорания поддерживается в пределах от 1,5 до 2…3.

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

  • 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[править | править код]