第一章燃烧热力学

第一章燃烧热力学

本章研究内容

（研究燃烧系统中有化学反应时的能量转换和守恒关系）基本概念应用热力学第一定律和第二定律计算：1.燃烧过程释放的能量2.绝热燃烧（火焰）温度3.燃烧产物的平衡温度平衡组分提纲:1.1定义及概念1.2热一定律1.3热二定律

1.1定义及概念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-通常是空气中的氧空气是免费的，不需要储存和携带。取之不尽，用之不竭空气中的氧气的摩尔浓度是21%N2的浓度是79%1摩尔的O2有3.76摩尔的N2空气中N2对燃烧有稀释作用，降低燃烧反应强度如需要提高燃烧强度，可行办法之一是采用纯氧或富氧燃烧燃料气态（H2\CO\CmHn等）液态（重烷烃\甲、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：

、——分别是组分i在反应物和生成物中的化学计量系数。式中：——组分i（反应物或生成物）的化学元素符号；

则有：

式中：

对于碳氢燃料和空气的化学反应，上式可以写成

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规定的比例完全燃烧的反应。空气-燃料化学恰当比（空—燃比）：化学恰当反应时消耗的空气—燃料质量比。若以1kg燃料计，则为理论空气量L0。

st－－stoichiometric式中，分别为空气和燃料的相对分子质量。、当量比（Equivalence

ratio,dimensionlessfuel/air）

——富燃料混合物(richmixture)——化学恰当比混合物(stoichiometric)——贫燃料混合物(leanmixture)余气系数，过量空气系数(dimensionlessair/fuel,excessaircoefficient)——富燃料混合物——化学恰当比混合物——贫燃料混合物【解】：已知：，，

求：，（A/F）及【例1.1】一个小型低辐射、固定的燃气涡轮发动机，当它在全负荷（功率为3950KW）条件下工作时，空气的质量流量为15.9kg/s，混气的当量比为0.286。假设燃料（天然气）的等效组成可表示为，试确定燃料的流量和发动机的空燃比？先求空燃比（A/F），然后再求。本例仅用到空燃比和当量比的定义。由的定义得：其中：，因此由当量比的定义得：的定义也可写成：从本例可看出，即使是在全负荷下工作，供给发动机的空气也是过量的。。

例1.2有一以天然气为燃料的工业锅炉，该锅炉工作时烟气中氧气的摩尔分数为试确定该锅炉工作时的空燃比和当量比。假设天然气成分为甲烷，。已知：求：和解：和组成，那么我们假定天然气在锅炉中“完全燃烧”，即反应产物没有发生离解，燃烧产物仅由可以写出总体燃烧反应方程式，然后根据产物中摩尔分数求出空燃比的其中和通过氧原子守恒而相互关联：从摩尔分数的定义可知：空燃比可表示为因为所以为了求出，首先得求出由的定柄义可寻得绝对超焓：某一参考温度下该组分的生成焓从某越一参耀考温晓度开篇始的屯显焓伐变化式中洗：说悟明尚：参考兽状态栗一般呼选袄，（标娘准状李态）；在参故考状刮态下虫，自祖然界扶存在逆的单质膊的生型成焓型等于赔零；化合淋物的兴生成存焓等碰于由毫单质查化合逆生成泪该化迈合物辆时的热效补应的粗负数。二、郑绝对夸焓和茄生成熄焓注：姓上标晨“—”表示余摩尔纹比焓注：税标准门生成姑焓可胞以查扔表获乓得，华显焓若变化(S逐en视si宁bl依e逃en帐th汇al秋py坐c织ha牢ng榆e)可以萍查表旅或通蹈过比丝式热计释算获抗得注：广上标彩“0”代表香“标伟准态晓”（畅可读兰作“宫标准瓶”）锻，下送角标f代表厚“生躲成”(f佳or肠ma款ti理on睁)【例1.3】由、和组成的混合气体中，的摩尔分数为10%，的摩尔分数为20%，该混合气体的温度为1200K，压力为1atm。试确定：（1）混合物质量比焓和摩尔比焓；（2）三种组分的质量分数。【解】已知：需求的是（1）和；（2），和。（1）由占得由理孙想气坟体混窑合物巨焓的望公式肤得通过兽查附另表A，将最所得匹值代皱入上浆式得建混合触物摩笋尔比牢焓。表A1表A2表A7为了韵求混钥合物启质量好比焓土，需钓要确亿定混宿合物国的分椅子量因此愧，混厕合物勉质量款比焓桥为（2）各组昆分的娘质量旅分数浇可依略其定照义计脖算由房诚可氏验证提予纲:1.核1定义斜及概霞念1.迁2热一便定律1.盗3热二形定律1.柏2用于使反应掩系统棚的热贤力学雅第一籍定律（能炊量守联恒定怕律）一、昼燃烧杨焓和怨热值燃烧少焓：当1俗mo慎l的燃御料与化学克当量的空椒气混尊合物飞以一头定的症标准献参考雷状态个（比辨如1a隶tm，25℃）进长入稳顺定流芝动的象反应炊器，汁且生状成物钳（假搬定为CO2，H2O，N2）也塌以同爷样的坑标准抬参考挽状态奖离开梁该反计应器室，此隔反应绳释放堂出来边的热因量。对于折等压城反应黑过程对于CH4每kg燃料状为基数础的波焓为以混副合物据为基盗础的坡焓为式中表B.钓1——低热览值对于有可凝结产物(如水）的燃料

产物为凝聚相时为高热值（HHV）（计入燃烧生成的水蒸汽汽化潜热时）产物为汽态时为低热值（LHV）（不包括水蒸汽凝结成水的冷凝热时）它等于反应焓或燃烧焓的负数。对放热反应，反应热（焓）是负值。

燃料的发热量（热值CalorificValue）定义：指单位质量或单位体积（对气体燃料而言）的燃料（在标准状态下）与空气完全燃烧时所能释放出的

最大热量。是衡量燃料作为能源的一个很重要的指标。

单位：对固体燃料和液体燃料，kJ/kg；对气体燃料，，kJ

/每标立方米。

通常峡因排服出烟蜜气温佳度较浴高，返其中袜水蒸会汽不程能凝蛾结，然故用池低位藏热值爪。【例1.4】（1）正癸烷的分子量为142.284，试确定每千克正癸烷和每摩尔正癸烷在298K的高热值和低热值。（2）如果正癸烷在298K的蒸发潜热为，试确定液态正癸烷的高热值和低热值。【解】（1）正癸垫烷月的掏总体品反应吉方程撒式：无论恶高热妄值还稠是低喘热值孩，都滥有其中塘的日值依钥产物订中的肾状态暖而定品。又因姜为吓，所以从附灶表查停得气夺态水引的生锄成焓均和蒸经发潜骂热，胖据此星可计厕算液错态水题的生锻成热利用股此值楼和附滨表A、B中的臂生成正焓，眼可得所以对于季低热策值，圆将眉换乌成骗即可含，因英此有（2）对于日液态吓的正吹癸烷迷有即所以二、悉绝热鸟燃烧弄（火专焰）就温度（Tad）Ad毕ia福ba准ti较c修fl萄am慰e腊te雹mp龄er逝at名ur否es当燃堡料和雅空气劣的初斥始状史态，牙即燃督料/空气斜比及托温度饼一定括时，令绝热农过程素燃烧打产物哨所能村达到请的温喉度（最理物想状稼态，奖最高参温度）。对等压谋燃烧，第炸一定夸律可赶以表哑示为胁：其中T1，T2分别丑为反答应物节和生调成物订的温医度。有龙，

包括显焓和生成焓。一般产物的组分指的是化学平衡时的组分，而它与产物本身的温度有关。所以求解能量方程是一个反复迭代的过程。

【解】混合璃物总递体反垒应方庸程式发：由热兄力学牙第一熄定律投得【例1.虑5】初始慢压力哥为1a锹tm，初识始温观度为29炸8K的甲能烷和雾空气序以化学争计量丈比混学合后昌进行夏绝热呈等压昼燃烧册，假枝设（1）“衰完全配燃烧眨”，即产培物中涌只有CO2,H2O和N2；（2）产引物的镜焓用12趴00剖K（=0珠.5吧(Ti+Tad)副,其中Tad假设独为21抹00莫K）的定比声热估算肉。试举确定些该混违合物例的绝疮热等压厦燃烧链火焰鹿温度贴。将巷，可唉解得。1）若板用组命分平同衡详腾细计聚算得22刻26孤K，但…更简累单，逃准确里度可拜接受堡。2）若健用变招比热仅：场得23竭28州K，但….很简子便准腰确。说明余：标准匀生成垄焓显焓萄的变活化等容贩燃烧时，由热偶力学扭第一姿定律凑得：式中，（怀代谜表初叠压，娇代蛾表终钩压）【例1.演6】利用紫上例柏中同长样的码假设段，试丘确定券初始暖压力竿为1a脏tm，初冷始温督度为29亩8K的甲青烷和挪空气涉以化猴学计姿量比震混合数时等对容绝巩热火低焰温涂度。【解】由热醋力学敞第一愧定律倡得即将数范据代勿入上酸式得其中飞，整昂理上禽面各明式得可解锹得：点评杯：由以等上两缴例可映知，阳在相致同的凳初始独条件哄下，姜等容廉燃烧忆的温镇度比喷等压浮燃烧愁要高列（此统处高57调1K）。说这是分由于在等张容燃席烧过程中，刚体系两没有附对外驰做容宫积功。在此滚例中章，燃朵烧前依后物崖质的蹲摩尔序数保秋持不谨变，印这只杜是一简个巧帅合，第对其弄它燃盆料而植言并喜不一享定这迎样。等容夜燃烧淘终态脑压力睁比初饱始压迅力高：提肆纲:1.少1定义坡及概园念1.桑2热一降定律1.盾3热二质定律1.常3热力泼学第灭二定昆律在衫反应苗系统衣中的崭应用热离满解：燃泳烧产绿物的撇分子甘在高兽温下排吸收怠热量墨而裂绕变为别简单分子拣或原创子的梯现象荷。离解爷是吸堵热反疏应,温度饺越高助，压号力越总低，弦离解清程度防越大春，吸瓶热也唤越多杆。这永是由淘于燃君烧反挎应而榴放出诊的热算量将阴重新胸又吸铁回分勺子中情去。燃烧童产物齐离解剪使燃重烧不须完全秋，放席热量辛减少胞，从雅而使康燃烧涛温度讨下降庭。为了烤更准灶确地稍计算诉实际标火焰荣温度浆，必淡须知绪道燃授烧产挖物的翠成分表。燃烧住产物乌成分推的确影定:化学用平衡淘、元叔素守魔恒、汇能量特守恒叮。燃烧森产物装有离尤解时拿煤油裙的燃烧竹热和皮温度墨压力幸的关神系一、夸化学帮平衡(C罗he葡mi凶ca沙l注eq这ui折li顽br禽iu追m)条件(状态卷）正向桨反应势速度眼等于步逆向丘反应围速度欣，系鱼统内绒各组算分的蓝浓度脸不随笔时间森变化艳。热力船学第迈二定嘴律：对于兴一个孤立系统【即与认环境沙没有粪能量（热耳量和沉功）芳或质歪量交忍换的秋系统】，熵只能倦增加项或保爱持不锈变，即平衡尘态时歉：——指明改物理盏与化么学过楚程进茄行的欢方向——平衡与态时扭孤立从系统警的熵哲是可并能的场最大舰值（1）根据第二定律得：

（2）因为T，P是常宏数，华上式赴可写块为或联立方程（1）和（2），有

（3）考虑一个与外界有功（）和热交换的系统，其中T和P为常数，对该系统应用热力学第一定律得令——吉布蹦斯函遥数（伍自由刮能圈）所以雾，上赖式可川写成平衡时：——平衡态时吉布斯自由能为最小值

——对一个等温等压过程，吉布斯自由能必须减小或保持不变二、际平衡黑常数同法为了酒计算薯燃烧厚产物租组分随，需臂要把戴吉布颠斯自灶由能宝与反朗应系抢统中猪物质顽浓度画联系怎起来和。而樱物质霸的浓晃度常征用分荷压力由表示租。由（3）式:得:在等脸温系粪统中dT=0，上式猫可写湿成由上童式得文到理诱想气派体混制合物借中某童一组泄分i的吉零布斯滔自由佛能的淡表达挥式：式中：是标准状态压力（即）下组分i的吉布斯自由能。摩尔不吉布辈斯自奔由能对于淡化学管反应尖系统喇，吉布计斯生侵成自汽由能繁用下宵式计班算式中阶是生航成1m尺ol化合碍物所抖需元陷素的溜化学落计量出系数。理想币气体罗混合测物的页吉布道斯自供由能女可以敞表示企为：式中朱是组分i的摩净尔数。当给难定温婚度和馆压力豪时，也平衡傍条件激变为窑：或因为，且混合物总压力为常数时，其分压变化之和应为零，即，于是上式第二项为0，得：（4）对于研一般慎化学瓦反应礼系统每一絮种组挤分摩能尔数吩的变来化与池其化觉学计咽量系奔数成茎正比景：代入娘（4）得傅：整理煤后标准状态吉布斯自由能变化则上扩式可界写成或化学涉平衡荣方程月式表膨示当停化学咸反应塞达到具平衡铅时，俗参加牺可逆链反应与的各洋物质航的摩屋尔数毒与温垂度、倾压力漏之间限的关都系。斗在给利定温巴度与诉压力尚条件们下，续它反始映了占参加泳反应元的各纵物质腊摩尔称数之倦间的惠关系址。——化学碑平衡厨方程蔑式平衡常数注：p0=1【例1.7】

的离解程度因温度和压力而异，

试求出纯在不同温度和不同压力下离解平衡后混合物中，和的摩尔分数。【解】要求丙出犬、手和谜，需轰要三钳个方饭程：愈一个管化学离解猎平衡旨方程捷和两驾个元腹素守聪恒方犹程。对于金该反素应，基其吉索布斯俯自由直能变布为因为所以由得由元启素守平恒得（a）定义尾混合吗物初袄始状互态时榆的与为Z：（b）则有第三个方程（c）在给滨定的P、T和Z后，泰可以傻联立膨方程旱（a）,（b）,（c）求黑出辱、伯和。用牛顿-拉夫森迭代法顺次求解出，和。如书上表1.2所示。纯在不同压力和温度下离解平衡时混合物中的摩尔分数

从计算结果可得出两点结论：（1）温度不变时，增大压力将使的离解减弱；（2）压力不变时，增大温度促使的离解。当一卡个处战于平明衡状看态的温系统有经历孕一个阵变化敢时，系统狮的平逮衡状训态将筒朝着击削弱苦该变跨化的鹊方向店移动。因竹此，谨压力宋升高除时，沃平衡代状态忆移动茧使系膏统摩沾尔数校减少强。对摩烦尔数醋守恒静的化搁学反联应而唇言，压力味的变举化对糟平衡屈状态麻没有辞影响。当叫温度搅升高泪时，状平衡们状态宋向消隔耗热昏量的表方向弦移动举。三、衬复杂赵反应煎系统樱平衡斩成分涉和燃扮烧温近度的吹计算尖机计日算化学植平衡汽成分这的计李算方趟法（1）平衡嫂常数殖法:按PE层R程序谱可以顺求解12种组弃分，丈其中灵包含7个平缩慧衡反撤应，4个元妖素（C，H，N，O）守街恒方竟程;（2）基叉于最小冲自由往能的通公用化者学平身衡计眨算程迷序CE井A。该程川序能拥处理40讲0种组泪分，挡它可敞以计欢算不毒同热轧力学益状态下化骗学平隙衡成蚁分。（3）基宴于元素乒势法的化妥学平糟衡计妙算程岸序ST牺AN帽JA狠N。这是尖斯坦教福大查学发典展的信高效陆的、摇易于荐使用载的以位微型获计算机蓬为基尼础的拖软件泻。【例1.旁8】已知偶一燃比烧天旬然气济的加银热炉上工作哨时的厚压力吃为1个大教气压驰，混嗓气的看当量辰比为0.孝9；进避入火藏炉中伞的天邪然气疲温度委为29反8K，但票是进齿入火藏炉的棉空气左是经骂过预务热的分。（1）试怀确定肤预热县空气腊对绝距热火竟焰温青度的墨影响的（火偶炉入圣口空气赠温度请从29粒8K变化况到10要00青K）；（2）假晴设不洪管预沉热空累气与判否，残加热如炉出壁口和明回流哗换热弱器进口坑之间钳的烟沟气温滔度为17树00搏K，那排么当懂空气卷从29即8K预热汁到60评0K时将邪节省蔽多少斤燃料洗？【解】（1）利远用附忘录І中