西工大航空发动机燃烧学讲义第1章 燃烧热力学

7νiAiνiAiνi'Ai1212(A/F)stoic=(l)stoic=4.6al式中MWair，MWfuel分别是空气和燃料的分子量。(A/F(A/F)(F/A)stoic8空气系数，或称为余气系数α,它与Φ为互为倒数的关系：(A/F)stoicΦ等效组成可表示为C1.16H4.32，试确定燃料的流量和发动机的空燃比(AF)？airfuel，(AF)及α。下面我们将先求空燃比(AF)，然后再求fuel。本例仅用到空燃比(AF)和当量比Φ由(AF)stoic的定义得：(AF)stoic=4.76al(AF)ic(AF)58.8(AF(AF)58.8(AF)=& air air&mfuelm⇒&fuelmfuel air15.9kgs0.270kgsα==天然气成分为甲烷，试确定该锅炉工作时的空燃比(AF)和当量比Φ。(AF)和Φ。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H2O,CO2,O2和N2组成，那么我们可以写出总体燃摩尔分数求出空燃比(AF)。9CH4+a(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+bO2+3.76aN2其中a和b通过氧原子守恒而相互关联：2a=2+2+2b⇒b=a−2χO2====0.03⇒a=2.368fuelfuelfuelfuell20.320.3stoic==17.1ic==0.84温度开始的显焓Δhs,i(Tref)的变化，加上在这一参考温度下该组分的生成焓hf0,i(Tref)，is,i(Tref)i参考状态一般选Tref=298.15,Pref=CO=0.10T=1200KχCO2=0.20P=1atmχi=得χi=得χN2=1-χCO2-χCO=1-0.10-0.20=0.70hmix=∑χihi=χCOhfo,CO+(h(T)−hfo,298)COχCO2f,CO2f,298CO2⎦⎥+⎡hoχCO2f,CO2f,298CO2⎦⎥N2f,N2f,298N2⎦⎥N2f,N2f,298N2⎦⎥+0.20[−393,546+44,488] hmix=−58,339.1kJkmolmixMWmix=∑χiMWi−1869.12kJkgmix h hmix−58,339.1MW31.212YYii§1-2用于反应系统的热力学第一定律离开该反应器，那么把此反应释放出来的热量定义为标准反应焓ΔhR或称为燃烧焓。当反cvΔHR,298K=ΔHfCO2,298K+2ΔHfH2O,298K−ΔHfCH4,298KΔHR,298K=[（-393546）+2（-241845）-（-74.831）]KJΔHR,298K=-802405KJ（每摩尔CH4）ΔhR=ΔHR/MWfuel()kgfuelΔhR=ΔhR(kJ)mfuel(kJ)kgfuelmmixkgmixmfuelmfuel1mmixmair+mfuel(A/F)+1热与相态有关。例如，汽态水的生成热为-57.79kcal/mol，而液态水的生成热为-68.31应焓或燃烧焓的负数。对于有可凝结产物的燃料有两种热值：产物为凝聚相时为高热值例1.4A.正癸烷(C10H22)的分子量为142.284，试确定每千克正癸烷和每摩尔正癸烷在B．如果正癸烷在298K的蒸发潜热为359kJkgfuel，试确定液态正癸烷的高热值C10H22(g)+15.5(O2+3.76N2)→10CO2+11H2O(l或ΔH=-ΔH=H-HcRreacprod其中Hprod的值依产物中H2O的状态而定。因为计算ΔHc的参考温度为298K，又因为Hreac=Nihi，Hprod=Nihifo,C10H22-10hfo,CO2+11hfo,H2Ohfo,H2O(l)=hfo,H2O(g)-hfg=-241,847-44,010=-285,857kJkmol=6,830,096kJc,Hc,HO(l)CHcN6,830,096kJ=6,830,096=6,830,096kJkmolCH对于低热值，将hfo,H2O(l)换成hfo,H2O(g)即可，Δhc=44,601kJkgC10H22B．对于液态的正癸烷(C10H22)有hfo,C10H22(g)-hfg)即:律计算燃烧产物的温度。人们特别关心的是当燃料和空气的初始状态，即燃料/空气比及温感兴趣的是两种极限情况——等容燃烧和等压燃烧。下面举例说明计算绝热火焰温度的方Hprod（T2）=Hreact（T1） Hreac=Nihi，Hprod=Nihi(1-8)hi(T)包括显焓和化学焓。当反应物的组分及温度一定时，不难算出Hreact及Hprod。 CH4+2(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+7.52N2NCO2=1,NH2O=2,NN2=7.52(kJkmol)cp,iCH4 H2ON2020 Hreac=Nihi=Hprod=Nihi=−74,831kJT=2318KT=2318K将Hreac=Hprod，可解得。错了。去掉假设2，用变比热重新计算Tad，Tcp,idT298ΔHR=Hreac−Hpord有如下联系：ΔHR=ΔURHreac−HprodNreac=ac，Nprod=odeacprodureacinitprodadeacprodureacinitprodad即iiiureacinitprodad∑Nih−∑NhiiiureacinitprodadreacprodureacinitprodadadRureacinitprodadadT§1-3热力学第二定律在反应系统中的应用dGT,P此方程表述为：对一个等温等压过程，吉布斯自由能必须减小或保持不变，因此，在平衡态时，吉布斯自由能为最小值，dGT,P=0。RuTdP/Pgi,T=gT+RuTln(Pi/P0)（1-21）准状态压力P0=1atm。对于化学反应系统，吉布斯生成自由能g,i用下式计算：g,i=g(T)−g(T)(1-22)jelementGmix=∑Nigi,T=∑Ni[gT+RuTln(Pi/P0)]或∑dNi[gT+RuTln(Pi/P0)]+∑Nid[gT+RuTln(Pi/P0)]=0dNi[gT+RuTln(Pi/P0)]=0(1-25)aA+bB⇔cC+dDABCDdN=ABCDdN=−kbdN=−kcdN=−kd−a[g,T+RuTln(PA/P0)]−b[g,T+RuTln(PB/P0)]+c[g,T+RuTln(PC/P0)]+d[g,T+RuTln(PD/P0)]=0−bg,T)=RuTln−bg,T)=RuTln−agAT,ΔG=(cg,T+dg,T−ag,T−bg,T)p定义平衡常数KpK=(PC/P0)c(PD/P0)d=χχP(c+d−a−b)p(PA/P0)a(PB/P0)bχχ将式（1-261-28）代入式（1-27得到以下化学平衡方程式：ΔG=−RuTlnKp或Kp=exp(−ΔG/RuT)化学平衡方程式表示当化学反应达到平衡时，参加可逆反应的各物质的摩尔数与温22222要求出χCO2、χCO和χO2，需要三个方程：一个化学离解22222ΔGT=⎢⎣2gf,O2+gf,CO−gf,CO2⎦⎥Tp=PCO2P00KPCOP0p=PCO2P00由Kp=exp得0.5 00.5C原子数1χCO+χCO2O原子数2χCO+2χCO+2χCO+χCOZ=2χCO+2χCO2+2χO2χCO+χCO2+χO2=1在给定的P、T和Z后，可以联立方程(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)求出χCO、χCO2和χO2。用方程(ⅱ)和(ⅲ)消去χCO2和χO2，方程(ⅰ)变为χCO(1−2Z+ZχCO)0.50.5−这个方程可用牛顿-拉夫森迭代法求解出χCO，然后将χCO代入方程(ⅱ)和(ⅲ)0T=1500K,ΔGT=1.5268*108J/km0χCOχCO2χO200χCOχCO2χO200χCOχCO2χO200χCOχCO2χO2由这两点结论可见:当一个处于平衡状态的系统经历一个变化时，系统的平衡状态将朝着削弱该变化的方向移动。因此，压力升高时，平衡状态移动使系统摩尔数减少。对于的变化对平衡状态没有影响。当温度升高时，平衡状态向消耗热量的方向移动。对于三、复杂反应系统平衡成分和燃烧温度的计算机计算以上的讨论概述了热化学计算的基本原理。在燃烧过程中，对指定初始条件和系统约化学平衡成分的计算大体有三种方法：1）平衡常数法，Olikara火箭发动机的性能；Chapman-Jouguet爆震性能；激波管参数等。3）基于元素势法的化学平衡计算程序STANJIAN。这是斯坦福大学发展的高效的、易于使用的以微型计算机为基础计算有关热力学定律的问题，它有机结合了Olikara和Borman计算平衡组分的程序。比，绝热火焰温度的迭代初值，压力和反应物的焓。在本例中，燃料为甲烷，输入文件如0.900/EQUIVALENCERATIO155037.0/ENTHALPYOFREACTANTSPER输入文件中唯一需要计算的量就是反应物的焓（kJkmolfuel）。要计算反应物的焓，CH4+a(O2+3.76N2)→燃烧产物N2 hS hS,o2 hS hS,N2000iloadlossAη=FLHV=LHV oFf, oFf,FF16.043hprodhA@298K=0=311.2kJkg∴η298=η298=烷(C8H18)，以化学计量比和空气混合。试确定废气循环率EGR（ExhaustGasRecirculation废气与可燃混合物（燃料和空气）的体积比（0≤EGR≤20）TT0.3PPn1.3Hreac(kJkmol−fuel)，NreacNfuel和MWreac，这些参数都随废气循环率而变。为了确C8H18+12.5(O2+3.7χCO2χCO2892χN=2=−75,012.3kJkmolEGRair hAHreac=NFhF+NAhA+NEGRhEGRNEGR=(NA+NF)×EGRQNAHreacFAEGRNMW+NMW+NMWMW=FFAAEGREGRreacNF+NA+NEGRMWEGR=∑χiMWiEGREGREGR05环废气的露点温度，因为当状态1的温度CH4+aO2+3.76N2→CO2+2H2O+xO2+3.762a=2+2+2x⇒x=a−2x=0.1699,a=2.1699。H=Nh+Nh+Nh2NO=a=2.16992NN2=3.76a=8.1589通过查附表B.1，A.11和A.7,我们可以计算出CH4,O2=−43,997kJProblemTitle:EXAMPLE1.10Casewi0.9217/EQUIVALENCERATIO-43997.0/ENTHALPYOFREACTANTSPERKMOLFUEL(kJ/kmoTHreac=NFhF+NO2hO2+NN2hN2+NEGRhEGR它就等于前面没有废气循环时的焓加上废气的焓即可。由题可 hEGRhEGREGRNEGR=(NF+NA)EGRHHreac