天然氣發(fā)動(dòng)機的熱效率

遼寧大學(xué)學(xué)報JOURNAL OF LIAONING UNIERSITY自然科學(xué)版Natural Sciences editio第38卷第2期2011年o.38Na.22011天然氣發(fā)動(dòng)機的熱效率高志崇(泰山學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)系,山東泰安27100)摘要:推導了變AH、機械功W與燃燒反應放出的光子的波長(cháng)A、數量n之間的關(guān)系,公式為AH=聊,、01902,計算熱機效率n的公式為們“AFE(28k)°若發(fā)動(dòng)機燃料為甲烷排氣溫度為970K,計算得到的熱機效率為4063%;若排氣溫度為298K熱機效率為70.19%。關(guān)鍵詞:燃燒反應;焓;熱效率;波長(cháng);內燃機中圖分類(lèi)號:0643.21文獻標識碼:A文章編號:10005846(2011)020116040引言分析熱機是將熱轉變?yōu)楣Φ臋C器,包括內燃機、蒸燃燒反應的反應焓△H與光子數汽機汽輪機、燃氣輪機和噴氣發(fā)動(dòng)機現在,汽車(chē)量波長(cháng)及機械功之間的關(guān)系用發(fā)動(dòng)機是內燃機隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展汽車(chē)越來(lái)越汽車(chē)發(fā)動(dòng)機燃料燃燒產(chǎn)生的能量主要用于三多,能源消耗日益增加,人們對能源問(wèn)題日益關(guān)個(gè)方面:(1)對外作機械功;(2)使產(chǎn)物的溫度上注迫切希望提高能源的利用率,降低環(huán)境污染.升;(3)發(fā)光其中機械功和光都屬于非體積功1824年,法國工程師卡諾設計了卡諾熱機,給出根據熱力學(xué)第一定律,則有了熱機效率的計算公式,為提高熱機效率指出了AU= U2-U, =Q方向,對熱力學(xué)理論的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作Q為體系和環(huán)境之間交換的熱量,W為體積用但是,卡諾熱機是可逆熱機,實(shí)際工作的熱機功W為有用功,W為光子的能量(規定體系對不是可逆熱機盡管現在熱機的工作效率比19世環(huán)境作功為正值)紀初的熱機的效率已經(jīng)有了很大的提高,但是,現假設某燃燒反應發(fā)出nmol光子,則有2-:在各種內燃機的效率仍然較低,四沖程柴油機的nNhc/A=0.1196n/A(2)熱效率為0.43~0.50,四沖程汽油機的熱效率為式中E。為每摩爾光子的能量(J·mol-l),N025~0.40.那么,熱機的工作效率為什么這么為阿伏加德羅常數(6.022×103mo-),h為普低?熱機效率的極限是多少?近幾年來(lái),由于天朗克常數(6.626×10-J·s),c為光速(2998然氣汽車(chē)具有污染少等多方面優(yōu)點(diǎn)因而得到快10°m·8-4),λ為波長(cháng)(m)速發(fā)展由于天然氣的化學(xué)成分較為簡(jiǎn)單,下面將假設燃燒反應是在恒壓條件下進(jìn)行的,且:以天然氣發(fā)動(dòng)機為例,從化學(xué)熱力學(xué)的角度予以P1=中國煤化工CNMHG作者簡(jiǎn)介:高志崇(1966-)女,山東招遠人,副教授從事燃燒化學(xué)及光化子訓收稿日期:2010-10-11第2期高志崇:天然氣發(fā)動(dòng)機的熱效率117那么W=p(V2-V1)(3)CH4+202+7.52N2→CO2+2H20(g)+7燃燒反應可近似地看成絕熱反應52N2+1.5h即:Q=0(4)表1某些物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)將(2)、(3)、(4)式代人(1)式得:(2+叫)-(U1+p1)=-W1-096n物質(zhì)J·m,k-"a+bnk+c(T/x)-24H()74.84836.1624.310根據焓的定義H=U+PVH2o(g)因而AH=H2-B2=-W,0.1196n(5)C448.54通常情況下,燃燒產(chǎn)物的溫度最終為常溫,因而燃料完全燃燒時(shí)的反應熱△H(298K)可以看四沖程發(fā)動(dòng)機是活塞往復四個(gè)行程完成一個(gè)作是燃料可以釋放的最大熱量,所以,熱機的效率工作循環(huán),包括進(jìn)氣壓縮,燃燒與膨脹作功排氣為:四個(gè)過(guò)程燃燒膨脹過(guò)程結束時(shí),柴油機氣缸中氣W體的溫度為970K~1170K,汽油機氣缸中氣體△,H°(298K)(6)的溫度為1170K-1470K(,為計算方便起見(jiàn),將發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程看成是等壓過(guò)程假設天然氣2甲烷燃燒反應機理發(fā)動(dòng)機的排氣溫度為970K,由于焓是狀態(tài)函數,甲烷燃燒反應的機理為2因而可設計途徑,如圖1(1)O2+hy20(2)CH4→C+2Hmol CO,. 2mol H:O(g).7.32mol N: 29BKP△H-W-016M152mN9oκ,p(3)H2+0·→H2O+hν(4)C+0·→CO+hv等灘等壓過(guò)程等壓升串過(guò)程(5)2co+02-+2CO2由以上機理可以看出,甲烷完全燃燒反應時(shí)的方程式為:CH4+202→CO2+2H20(g)+圖1甲烷完全燃燒時(shí)的途1.5hv.由方程式可以看出,每摩爾甲烷完全燃燒發(fā)出1.5mol光子△H°(298K)=2△H°(298K,H2O,g)+△H(298K,CO2)-△H(298K,CH4)=(-2x3天然氣發(fā)動(dòng)機的效率241.827-393.514+74.848)k·moll=3.1發(fā)動(dòng)機的效率802.32kJ·mol-1天然氣的主要成分是甲烷達90%以上為由圖1可以看出:計算方便起見(jiàn),以甲烷為燃料計算發(fā)動(dòng)機的效率AH,=L[C,.(CO2)+2 Cr-n(H,0, g)+某些物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1.假設本文計算的所有氣體均為理想氣體,空7. 52C.(N,)]dT氣中N2的含量為79%,O2的含量為21%,甲烷中國煤化工3r-0.85x與空氣中的氧氣完全反應時(shí),反應式為:CNMHG105T2)2x(30.00+10.-3T+0.33118遼寧大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版2011年10572)+7.52x(27.87+4.27×10-7)]時(shí)發(fā)動(dòng)機的工作效率為40.63%這一數值與實(shí)dr|J·m1=[P(313.721+62.570×10-T際情況較為接近但高于實(shí)際效率原因有以下幾個(gè)方面:(1)燃料燃燒不完全,(2)發(fā)動(dòng)機在工作0.19×1072)d]J·mol-=237.138×103時(shí)不可能是絕熱的(3)運動(dòng)件的摩擦消耗功以及其他部件消耗的功,(4)甲烷與空氣的比例不△H=△H:(298K)+△H1=(-802.32可能正好是化學(xué)反應的理論比等237.138)kJ·mol-1=-565.182kJ·mol-l另外,發(fā)動(dòng)機的最大效率是人們關(guān)注的另一甲烷在空氣中燃燒后體系為藍色,藍色的波個(gè)問(wèn)題從本文的計算來(lái)看,當發(fā)動(dòng)機排氣時(shí)的溫長(cháng)范圍為450-500m6,取A=500m予以計度為常溫298K時(shí),其效率為70.19%這一數值算根據公式(5)得可視為以甲烷為燃料的熱機的極限效率,因為達-565.182×103=-W,0.119×1.5到該效率的條件是甲烷完全燃燒,空氣進(jìn)入量恰500x10好符合化學(xué)反應的方程式,且產(chǎn)物的溫度達到常W;=325.982kJ·mol1熱機效率:=△H(8=802.32×為比較方便起見(jiàn),將不同排氣溫度時(shí)的熱機100%=40.63%效率列于表2由表2可以看出,降低排氣溫度有由以上計算可以看出,以甲烷作為燃料的發(fā)利于提高熱機效率實(shí)際熱機效率與多方面因素動(dòng)機若排氣溫度為90K,則其能量利用率最高有關(guān),本文從化學(xué)熱力學(xué)的角度對熱機效率進(jìn)行為40.63%,該計算值與實(shí)際的利用率較為接近了理論探討,為熱機效率提供了一個(gè)新的分析角3.2天然氣發(fā)動(dòng)機的最高效率度表2不同排氣溫度時(shí)的熱機效率若要提高發(fā)動(dòng)機的工作效率,可通過(guò)降低產(chǎn)物溫度實(shí)現產(chǎn)物溫度越低熱機工作效率越高排氣溫度波長(cháng)熱機效率反應式在通常情況下,產(chǎn)物最終溫度為常溫假設發(fā)動(dòng)機CH4+202+7.52N2→排氣時(shí)的溫度為298K根據公式(5)得:cO2+2H20(g)+7.52N2+1.5/29850070.19%80232×103=-W,0.196×15500×109W;=563.12kJ·mol參考文獻:563.12熱機效率為:7△=(298K)8221]李剛內燃機[M]·北京中國鐵道出版社2007.31100%=70.19%%可視為熱機效率的極限因為達到該[2]高志崇.烴燃燒反應機理探討[J]遼寧大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版,2002,29(3):266-271效率的條件是甲烷完全燃燒,空氣進(jìn)人量恰好符[3]高志崇.甲烷燃燒反應的火焰溫度[].山西大學(xué)合化學(xué)反應的方程式,且產(chǎn)物的溫度達到常溫學(xué)報,2004,27(1):32-34.4小結[4]高志崇.甲烷爆炸后體系的溫度與壓力遼寧學(xué)報自然科學(xué)版200835(2)143-146.本文以天然氣發(fā)動(dòng)機為例說(shuō)明了發(fā)動(dòng)機的[5]中國煤化工尊教育出版社工作效率假設甲烷與空氣的比例正好符合化學(xué)CNMHG反應的比例,完全燃燒,且排氣時(shí)的溫度為90K[6]金世勛物理化學(xué)[M].北京:高等教育出版社第2期高志崇:天然氣發(fā)動(dòng)機的熱效率119The Thermodynamic Efficiency of Natural Gas EngineGAO Zhi-chongDepartment of Chemistry and Environmental Science, Taishan University, Tai'an 271000, China)Abstract: The relation among the change of enthalpy( AH), mechanical work(W,), the wavelength(Aand number(n)of photons sent by combustion reaction was deduced as AHs-W -0. I196n. The for-mula to calculate thermodynamic efficiency(n)of engine was nIf the fuel of engine was△H°(298K)methane and the exhaust temperature was 970K, the calculated thermodynamic efficiency would be 40.63%if the exhaust temperature was 298K, it would be 70. 19%Key words: combustion reaction, enthalpy, thermodynamic efficiency, wavelength, internal-combustion(責任編輯李超)中國煤化工CNMHG