当前课程知识点:燃烧理论 > 第二章 燃烧与热化学 > 2.4 反应物和生成物的混合物 > 反应物与生成物的组成
我们复习了
各种各样的热力学参数
复习了热力学第一定律
我们现在
就可以开始来看看
燃烧过程当中的
解决它第一个问题
也就是反应物和产物之间的关系
或者说它的组成
我们知道
如果是化学当量的时候
那么要烧掉多少的碳氢化合物
需要多少氧量是固定的
那么化学当量刚好是
我们通过一个化学方程式
很容易就把它写出来对不对
这个的话
比如我们现在一般的
我们如果差不多我们可能
以后要学的所有的燃料
基本上可以把它作为碳氢化合物
也就是CxHy作为它一个表达
那么它要由Cx的话加y
那么我们想一想
它需要多少氧气呢
实际上是特别简单
有x个C那就需要x个氧气
对不对
要变成二氧化碳全部燃烧
有多少个氢
有y个氢那需要多少氧气呢
实际上就是
要四分之一y个氧气
所以如果我们真的来看的话
一个碳氢化合物知道了以后
要多少氧气
实际上就是x加上四分之y
你只要CxHy这个分子式
你告诉我了什么样的燃料
我就能算出来
所以这样的话
我们引入第一个概念
叫化学当量的空燃比
这是什么概念呢
也就是说我每公斤的燃料
燃烧需要多少公斤的空气
当然你如果是纯氧燃烧
就要多少公斤的氧气对吧
这是我们今天引入的第一个概念
或者说到现在为止
我们引入的真正针对燃烧的
第一个概念就是空燃比
所以大家要牢牢记住
而且是化学当量的空燃比
大家可以算算
比如像甲烷它会有多少
甲烷大家可以算一下
实际上它多少
17.11 质量还蛮大的
实际上我们前面已经算过了
每公斤的甲烷需要17.11公斤的空气
那就刚好能够完全燃烧
比如氢
氢在氧气的燃烧会有多少呢
氢的这个燃烧
在氧气当中燃烧
那么一公斤的氢
需要多少公斤的氧气
需要8公斤的氧气
这两个一想大家都明白
对吧
氢2 二分之一
实际上也就二分之一个氧
对不对
二分之一个氧原子
当然就是8了
对吧 好
如果氢在空气当中燃烧会怎么样呢
这个就比较大了
对不对
因为它好多氮气在那儿
除了刚才那个8
可能还加氮气
所以它实际上最后多少呢
35.32 很大的一个数
那么再来看看碳的燃烧
碳在空气当中燃烧
一公斤碳需要多少空气的量
那么实际上算一下
大概就是11.4公斤
就A比F
A/F stoic
大家一定要记住这个
这个叫什么
空燃比
也就是说每公斤燃料所完全燃烧
刚好化学当量的时候
需要多少空气
通过刚才这个数
大概有个判断
基本上一公斤的燃料
碳氢化合物的话
大概需要十几公斤的空气
这就是一个概念
这张表可能还有其他一些参数
我们后面要用 现在先不讲
好 给大家引入的第二个概念呢
就我们实际上燃烧
不太可能刚好是化学当量的匹配
就是我比如是一公斤的甲烷
我刚好给17.11公斤的空气
这件事情很难的
那通常为了燃烧好一点
大家都有经验
我们恐怕要多给一点空气
这个时候呢这两个比较
也就是说理论上需要多少空气
再比上实际给它的空气
这两个一比较
我们引入又一个新的概念
就是当量比φ
那么可以想象一下
刚才我们一开始讲的那个例题
20公斤的甲烷的时候
它的当量比是多少
对了
17.11除以20
那么这个当量比是小于1
就可以判断出来
如果φ小于1的话是什么
它是一个贫燃料
我们把它称之为
贫燃料的混合的燃烧
也就是燃烧少于空气
但我们刚才那个例题
还有一个十公斤的时候
那么它的φ是多少
17.11除以10对不对
很简单1.711
那这个什么意思呢
富燃料的
那么好这个当量比就有一个概念了
φ等于1的时候指什么
刚好是化学当量
小于1怎么样
是空气过量
如果是大于1怎么样
是燃料过量
而我们通常
我们知道一般燃烧
总是要让Φ小于1
也就是当量比
这是我们引入的第二个概念
当然我们还可以有引申的
包括当量空气百分比
还有过量百分比 等等
那么当量空气百分比就是Φ分之一
这个实际上就是倒过来对吧
那么过量空气百分比的话呢
过量空气百分比是一减Φ除以Φ
这样的话呢
我们就把基本的几个概念
全部建立起来了
好 下面呢我们一起来
用两个例子来看看
我们怎么来用
刚才的概念
那么一台固定的燃气轮机
我们满负荷运行的是3950千瓦
也就是3.95兆瓦
而当量比用的是多少呢
用的是0.286
一听就知道这个是贫燃的
而且空气量大大的过量
这个时候的煤气
或者天然气的流量是多少呢
是15.9公斤每秒
那么我们要算一下
它的整个的流率
以及燃气轮机当时运行的
空燃比是多少
它的当量比0.286知道了
我们怎么来求解啊
应该比较容易
我们理论的这个空燃比知道了以后
我们当时运行的空燃比
只要一除就出来了
对吧 这就是一个
非常典型的这种燃烧桶
这是燃气轮机用的燃烧桶
那么这就是里边的
燃料和配风的装置
好 我们来看看
那么首先看空气
我们的Φ等于0.286
如果我们的甲烷
假设它这里边的燃料
是用的不是真的甲烷
碳是1.16
氢是4.32
MWfuel就是18.286了
好我们来求A比F
也就是空燃比
好那我们实际的
理论的空燃比就很容易算了
大家可以很快的
等于4.76×a×MWair/MWfuel
MWfuel MWair
我们刚才都已经有了
一个是28.8几
一个是18点几对吧
那么关键这个a是多少
a实际上是很容易算的
x y 对吧
x+y/4就等于2.24
这样的话呢
我们就能够得到
它的理论的空燃比是多少
这么一算你就算出来16.82
那么好 实际的这个多少呢
实际的这个空燃比就很简单
理论空燃比除以Φ
也就是16.82除以0.286
就是58.8
大家可以判断
也就是说我这条燃气轮机
烧一公斤的这种燃料
配了多少空气呢
58.8公斤的空气
这个量(比例)相当大了
好下面呢
我们就来看看燃料的流率
我们如何去获得
那我们空气的流率多少
是15.9公斤对不对
而燃料的流率当然就很简单了
除一下就行了对不对
也就是15.9除以58.8
等于0.27公斤每秒
大家想一想
这个例题我们做完了
大家可能觉得很奇怪
为什么要这么多过量的空气
大家想一想
后面我们会一起去回答
这个作为一个思考题
大家好好想一想
好
我们第二个例题
是一个燃天然气的工业锅炉
它运行时候发现
最后的出来的
就烟气当中
氧气的摩尔分数是3%
它就要求运行的这个空燃比
实际的空燃比和当量比
那么天然气呢
我们用甲烷来考虑
这是一个非常典型的
工业的小型的锅炉
好 我们来看看
怎么来求解这个问题
当然这两个数
大家可能就很熟悉了
燃料的分子质量
是16.04每公斤每摩尔了
那么空气呢28.85
那么我们首先是假设
它是完全燃烧的
完全燃烧会生成二氧化碳
氢会形成水
所以二氧化碳加水当然还有氮气
还有氧气对不对
而且我们已经知道了
这所有里边的氧气的含量
是3%
那这样的话 我回头就知道
空气当中(燃烧)的时候
就是一个非常简单的
原子的守恒
我们就可以获得它的a是多少
也就是说它的
加了多少的氧气的这个量
就多少
那么很简单大家会算了
算出来大概a是1.168
好
有了这样参数以后
我们就可以用A/F
实际的
它的甲烷的A/F stoic是多少
是17.11 对不对
好 17.11除上刚才可以算出来
它的什么
实际的空燃比可以算出来
是20.3
就很容易算出来了
有了这个实际的空燃比
我们也已经知道了
这个理论的空燃比
17.11对不对
所以我们马上就可以算出来
它的这个当量比是多少
用理论的当量比除以
实际的当量比
也就是17.11
对不对
除以刚才那个参数是多少
大家还记得吗
20.3 对不对
好我们马上知道多少
大概它就是0.84
说明它空气是过量的
大家也可以算一下
接下来我们可以学一个
特别参数叫过量空气系数
大概1.2左右
这是我们正常燃烧组织
常常用的空燃比
好我们有了
空燃比的这样一个计算
已经会了
我们可以知道反应物
我可以算产物
我也知道产物
比如我们刚才有一个例题是
知道(烟气)里边3%的氧气的时候
而我们也可以把它的
反应物什么样子都给算出来
这就是我们这一讲最重要的内容
下面的话呢
我想有的时候
我们燃料的话
常常并不是以每公斤
需要多少公斤空气来表达
常常是需要什么呢
是每公斤的燃料
需要多少的体积 空气的体积
这个比较直观
我们空气常常用体积来表达
那么这个的话我们叫做
理论空气量
也就是每公斤燃料
所需要的
空气的体积是多少
那这里边呢
如果用两个体积的概念
两个比的话呢
大概我们又把它称之为
过量空气系数
我想大家可能各种各样
实际的燃料算起来
都是直接的进行
化学当量的计算就可以了
给大家一些基本概念
比如像气体燃料
那么像天然气
那么刚才应该很严格可以算
但比如对于煤
那么实际上需要里边的成分
液体也是一样
但给大家一个概念吧
就是它的空气量
大概每公斤 对于煤来说
大概就在几个立方米
对油可能要十个立方米
有这些概念但是并不是
真正要去算的
那么刚才我们已经引入了
一个空气过剩系数的概念
它是什么意思呢
实际的空气量除以理论的空气量
理论空气量就是每公斤需要多少
完全燃烧所需要空气的体积
对吧
那么这样的话呢
我们就能够用一个在我们的
锅炉这个行当里边
还有像燃气轮里边
常常用过量空气系数
这么一个概念来表达
而对于内燃机
可能是用空燃比等等这种表达
这没关系
这互相之间可以换算的
我希望大家能够熟悉这种术语
-1.1 我们为什么要学习燃烧理论
-1.2 什么是燃烧:定义与现象
-1.3 燃烧科学发展简史
-1.4 燃烧科学的研究方法
-1.5 课程的结构
-2.1 概述
--概述
-2.2 状态参数复习
--状态参数复习
-2.3 热力学第一定律
--热力学第一定律
-2.4 反应物和生成物的混合物
--燃烧焓与热值
--例题
-2.5 绝热燃烧温度
--定压绝热燃烧温度
--定容绝热燃烧温度
-2.6 化学平衡
--第二定律的讨论
--吉布斯函数
--复杂系统(选修)
-2.7 燃烧的平衡产物
--全平衡(选修)
--水煤气反应的平衡
--压力影响
-2.8 应用
--例题
--烟气再循环
-2.9 小结
--小结
-第二章 燃烧与热化学--第二章作业
-3.1 传质概述
-3.2 传质理论基础
-3.3 传质应用实例
-3.4 小结
-第三章 传质引论--第三章作业
-4.1 概述
--概述
-4.2 总包反应与基元反应
-4.3 基元反应速率
--其他基元反应
-4.4 多步反应机理的反应速率
--净生成率
--稳态近似
--单分子反应机理
--部分平衡
-4.5 简化机理(选修)
--简化机理(选修)
-4.6 催化和非均相反应(选修)
-4.7 小结
--小结
-第四章 化学动力学--第四章作业
-5.1 概述
--概述
-5.2 H2-O2系统
--H2-O2系统
-5.3 一氧化碳的氧化
--一氧化碳的氧化
-5.4 高链烷烃的氧化
--三步机理
--八步机理
-5.5 甲烷燃烧
--复杂机理和起源
--甲烷燃烧动力学
--高温反应途径分析
--低温反应途径分析
-5.6 氮氧化物
--氮氧化物的危害
-5.7 小结
--小结
-第五章 一些重要的化学机理--第五章作业
-6.1 概述
--6.1 概述
-6.2 定压-定质量反应器
-6.3 定容-定质量反应器
-6.4 全混流反应器
-6.5 柱塞流反应器
-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结
-第六章 反应系统化学与热分析的耦合--第六章作业
-7.1 概述和总质量守恒
-7.2 组分质量守恒
-7.3 多组分扩散(选修)
-7.4 动量守恒方程(选修)
-7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式
-7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义
-第七章 反应流的简化守恒方程--第七章作业
-8.1 概述及物理描述
-8.2 层流火焰分析
-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素
-8.4 熄火、可燃性和点火
-8.5 火焰稳定及小结
-第八章 层流预混火焰--第八章作业
-9.1 概述
--概述
-9.2 无反应的恒定密度层流射流
--物理描述
--求解
--两个例子
-9.3 射流火焰的物理描述
-9.4 简化理论描述
--概述
--守恒标量
--状态关系式
-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度
--两个例子
-9.6 碳烟的形成和分解
--碳烟的形成和分解
-9.7 对冲火焰(选修)
--对冲火焰(选修)
-9.8 小结
--小结
-第九章 层流非预混火焰--第九章作业
-10.1 概述
--概述
-10.2 液滴蒸发的简单模型
--基本假设
--气相分析
--气液界面能量平衡
--液滴寿命
-10.3 液滴燃烧的简化模型
--假设
--温度分布
--液滴表面能量守恒
--火焰面处能量守恒
--例题
--扩展到对流条件
-10.4 一维蒸发控制燃烧
--物理模型和假设
--总守恒方程
--例题
-10.5 小结
--小结
-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业
-11.1 概述及燃煤锅炉
-11.2 非均相反应
-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型
-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型
-11.5 颗粒燃烧速度
-11.6 煤的热解及燃烧
-第十一章 固体燃烧--第十一章作业
-12.1 概述
--概述
-12.2 湍流现象与描述
--湍流的现象与描述
-12.3 湍流尺度
--湍流尺度
-12.4 湍流模型
-12.5 湍流预混火焰
--湍流火焰速度
--层流火焰折皱模式
--火焰稳定
-12.6 湍流非预混火焰
--射流火焰
--火焰长度
-12.7 湍流燃烧小结
--湍流燃烧小结
-课程总结
--课程总结