大部分燃烧系统是获取热量和功。反应物由燃料和氧化剂组成。
氧化剂(通常是空气中的氧)
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在地球上空气是免费的,无需储存和携带
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空气中的氧气的摩尔浓度约为21%
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氮气的摩尔浓度是79%
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1摩尔的氧气有3.76摩尔的氮气
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空气中的氮气对燃烧有稀释作用,能降低燃烧的反应强度
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如需提高燃烧强度,行之有效的方法之一是采取纯氧或富氧燃烧
◎ 摩尔浓度一般指物质的量浓度
气态(氢气、一氧化碳、碳氢燃料等)
液态(种烷烃、甲醇、乙醇等)
固态(煤炭、木材等)
一、化学恰当比
考虑各种元素的质量守恒,一个化学反应可以写成如下形式
化学恰当反应:所有参加化学反应的反应物都按化学反应方程式中的比例完全燃烧的反应。
空气-燃料化学恰当比(空/燃):化学恰当反应时消耗的空气与燃料的质量之比。
化学恰当(化学当量)的特点:
在化学反应过程中,反应物能够完全消耗
燃料和空气的配比在化学当量时,燃烧强度最高
对于一般的燃油反应,理论空气量在15左右
理论空气量为15是个什么概念呢,也就是1kg左右的汽油、煤油这些燃油完全燃烧需要15kg左右的空气。如果进一步细分的话,由于汽油的热值、挥发性高,需要的空气就多些(约14.8kg);而煤油需要的则少些(约14.7kg)。
◎ 化学当量泛指化学方面的当量术,是指当量值与特定或俗成的数值相当的量,表示元素或化合物相互作用的质量比的数值。
二、油气比油气比(f)就是燃烧室中燃油和空气组成的混合气体中,油(mf)和气(ma)的质量之比。
油气比数学表达式
通过燃料的化学反应计量方程式可以计算出化学恰当油气比(f0)
它和理论空气量(L0)是互为导数的关系
化学恰当油气比
◎ 化学计量方程式就是一个按化学系数进行的化学反应方程式。
例如:
磷在氧气中燃烧
◎ 理论空气量简单来说就是燃料完全燃烧所需要的空气量。
对于碳氢燃料和空气的化学反应,再根据上面几个式子
计算结果表明对于1摩尔的碳氢燃料,只需要a摩尔的空气就能完全反应
三、当量比当量比(φ)表示燃料和氧化剂的混合物的配比(该表示方法欧美用的较多)
当φ=1时,表示混合物刚好满足化学恰当比
当φ>1时,表示混合物中燃料大于需求量
当φ<1时,表示混合物中燃料小于需求量
在燃烧室中,我们用当量比来表示 (实际燃油质量)与实际空气按化学恰当比燃烧所需要的(理论燃油质量)之比
当量比是一种无量纲量(没有单位的量)。无量纲量通常是通过一个比值来定义的,它经常出现在实际工程应用中,其优点是将不同单位的量归一化,以方便计算。
四、余气系数余气系数(α)指燃烧室中(实际空气质量)与实际燃油按化学恰当比燃烧所需(理论空气质量)之比,刚好和当量比互为导数。(此表示方法酥莲等国用的较多)
当α=1时,表示混合物刚好满足化学恰当比
当α>1时,表示混合物中氧化剂大于需求量
当α<1时,表示混合物中氧化剂小于需求量
五、绝对焓和生成焓首先什么是焓呢?
焓(H)是热力学中表征物质系统能量的一个重要状态参量,其物理意义是热力学能(也叫内能)加上PV(膨胀做功)的一种能量。焓是一个状态参量,它和中间变化过程无关只和初末状态有关。
反应的热效应:所有化学反应都伴随着能量的吸收或释放。
状态参量
盖斯定律
化学反应的热效应只与化学反应的初始状态和终止状态有关,与中间变化过程无关,且热效应总值不变
适用于化学反应的等压(P恒定)和等容(V恒定)过程,是热力学第一定律在热化学中的应用
热力学第一定律:热量可以从一个物体传递到另一个物体,也可以与机械能或其他能量互相转换,但是在转换过程中,能量的总值保持不变。
生成焓:与化学键(或无键)相关的焓,可查表获得
显焓:只与温度相关的焓,可查表获得或通过比热计算获得
绝对焓:生成焓与显焓的总和
上图部分表示显焓,下图部分表示绝对焓
燃烧涉及化学氧化反应,反应过程中化学键要断裂(释放能量)。燃料作为可燃物质,其本身就具有一种能量我们称其为生成焓。通常以(热力学温度:298k 压力:一个大气压101.325kPa)为标准状况取生成焓的值。由于绝对焓通常数值很大,所以将其分为生成焓和显焓,其中生成焓针对每一个参考状态它都有一个固定的值。燃烧时由温度变化造成的能量水平变化,可以用显焓表示。显焓(用于表示具体状态的能量水平)是用绝对焓减去生成焓得到的,由参考状态一样,所以不影响计算。由图我们还可以看出绝对焓和显焓都有两条线,是由于定比热和变比热是有一定差别的。
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