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 $L_0,$$L_{0},$ , объёмное $L_V$$L_{V}$  и молярное $L_M$$L_{M}$  отношения:

$L_0=\frac{m_o}{m_f},$$L_{0}={\frac {m_{o}}{m_{f}}},$ 

$L_V=\frac{V_o}{V_f},$$L_{V}={\frac {V_{o}}{V_{f}}},$ 

$L_M=\frac{M_o}{M_f},$$L_{M}={\frac {M_{o}}{M_{f}}},$ 

где $m_o,m_f$$m_{o},\ m_{f}$  — массы окислителя и топлива;

$V_o,V_f$$V_{o},\ V_{f}$  — объёмы окислителя и топлива;

$M_o,M_f$$M_{o},\ M_{f}$  — молярное количество окислителя и топлива (число молей).

Для газообразных смесей топлива и окислителя в соответствии с законом Авогадро $L_M=L_V.$$L_{M}=L_{V}.$ 

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:

$2{\text{H}}_2^{}+{\text{O}}_2^{}⟶<!--\; ⟶\; -->2{\text{H}}_2^{}\text{O}$${\ce {2H2 + O2 -> 2H2O}}$ .

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: $L_{Vst}=L_{Mst}=1/2=0,5,$$L_{Vst}=L_{Mst}=1/2=0,5,$  $L_{0st}=32/4=8.$$L_{0st}=32/4=8.$  Эти численные значения называют стехиометрическими отношениями.

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

${\text{CH}}_4^{}+2{\text{O}}_2^{}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{CO}}_2^{}+2{\text{H}}_2^{}\text{O}$${\ce {CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}}$ 

$L_{Vst}=L_{Mst}=2,$$L_{Vst}=L_{Mst}=2,$  $L_{0st}=64/16=4.$$L_{0st}=64/16=4.$ 

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

$\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}=L_0/L_{0st}=L_V/L_{Vst}=L_M/L_{Mst},$$\alpha =L_{0}/L_{0st}=L_{V}/L_{Vst}=L_{M}/L_{Mst},$ 

причём $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$  не зависит в каком виде определено отношение окислитель/топливо массовом, молярном или объёмном. Очевидно, что при стехиометрическом отношении окислитель/топливо $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}=1.$$\alpha =1.$ 

Смеси топливо/окислитель у которых $\alpha < 1$  называют богатыми смесями, а $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}>1$$\alpha >1$  — бедными.

В зарубежной научно-технической литературе коэффициент избытка окислителя обычно обозначают буквой $\mathrm{\lambda <!--\; \lambda \; -->}.$$\lambda .$ 

Также используется параметр, называемый коэффициентом избытка топлива $\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}=1/\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->},$$\phi =1/\alpha ,$  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 $L_{0a}$$L_{0a}$  или объёма $L_{Va}$$L_{Va}$  воздуха к массе или объёму топлива:

$L_{0a}=\frac{m_a}{m_f},$$L_{0a}={\frac {m_{a}}{m_{f}}},$ 

$L_{Va}=\frac{V_a}{V_f},$$L_{Va}={\frac {V_{a}}{V_{f}}},$ 

где $m_a,m_f$$m_{a},\ m_{f}$  — массы воздуха и топлива;

$V_a,V_f$$V_{a},\ V_{f}$  — 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.

$L_{Ma}=\frac{M_a}{M_f},$$L_{Ma}={\frac {M_{a}}{M_{f}}},$ 

где $M_a,M_f$$M_{a},\ M_{f}$  — молярное количество воздуха и топлива (число молей).

Горючее	$L_{0ast}$$L_{0ast}$	$L_{Vast}$$L_{Vast}$	$L_{Mast}$$L_{Mast}$
Водород	34,2	2,43	2,4
Метан	17,2	9,66	9,5
Пропан	16,1	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:

${\text{CH}}_4^{}+2{\text{O}}_2^{}+8{\text{N}}_2^{}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{CO}}_2^{}+2{\text{H}}_2^{}\text{O}+8{\text{N}}_2^{}$${\ce {CH4 + 2O2 + 8N2 -> CO2 + 2H2O + 8N2}}$ ,

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 $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$ :

$\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}=L_{0a}/L_{0ast}=L_{Va}/L_{Vast}=L_M/L_{Mst}.$$\alpha =L_{0a}/L_{0ast}=L_{Va}/L_{Vast}=L_{M}/L_{Mst}.$ 

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 $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$  всегда для стехиометрической смеси равен единице. Но практически в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) этот коэффициент отличается от 1. Так например, оптимальный с точки зрения экономичности $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$  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 $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$ . С другой стороны, наибольшая мощность двигателя при прочих равных достигается при работе на более богатых смесях ($\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}=0,\mathrm{83...0},88$$\alpha =0,83...0,88$ ). На рисунке показаны зависимости мощности и экономичности двигателя с искровым зажиганием от $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$  и соотношения воздух/топливо для бензина при некоторых значениях $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$ . 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 $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$  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 $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$  поддерживают на уровне 1,1…1,3.

Газовые турбиныПравить

В камере сгорания газовой турбины, например двигателя самолёта $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$  поддерживается близким к 1. Но перед лопатками турбины для снижения температуры газа из соображений жаропрочности лопаток газ из камеры сгорания разбавляется воздухом, отбираемым от компрессора турбины, что снижает его температуру от приблизительно 1600 °C до 1300…1400 °C, поэтому $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$  в выхлопных газах турбины $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$  значительно больше 1 и достигает 5.

Промышленные, отопительные и бытовые котлыПравить

$\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$  в таких котлах существенно зависит от вида топлива. В газовых котлах небольшой мощности или производительности $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$  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 $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$$\alpha$  поддерживается в пределах от 1,5 до 2…3.

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

• «Вокруг света». Искусственное дыхание для мотора. Умеренность в потреблении бензина — залог долголетия и высокого КПД.