Открыть главное меню

Стехиометрическая горючая смесь

Стехиометри́ческая горю́чая смесь (от др.-греч. στοιχεῖον «основа; элемент» + 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.

ОпределенияПравить

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 массовом, 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 воздухаПравить

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 двигателяхПравить

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

Двигатели внутреннего сгоранияПравить

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 турбиныПравить

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 котлыПравить

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

ПримечанияПравить

ЛитератураПравить

  • 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

СсылкиПравить