天然氣發(fā)動(dòng)機的熱效率

遼寧大學(xué)學(xué)報JOURNAL OF LIAONING UNIVERSITY自然科學(xué)版Natural Sciences Edition第38卷第2期2011年vo.38No.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:推導了焓變AH、機械功W與燃燒反應放出的光子的波長(cháng)A數量a之間的關(guān)系公式為AHW,-9.196nA,計算熱機效率n的公式為7=△(28X)若發(fā)動(dòng)機燃料為甲烷,排氣溫度為70K,計算得到的熱機效率為40.63%;若排氣溫度為298K,熱機效率為70.19%。關(guān)鍵詞:燃燒反應;焙;熱效率;波長(cháng);內燃機中圖分類(lèi)號:0643.2·1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器包括內燃機鼐1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-W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2-4在各種內燃機的效率仍然較低,四沖程柴油機的W′=nE。=mMhc/A=0.1196/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-),N0.25~0.401,那么,熱機的工作效率為什么這么為阿伏加德羅常數(6.022×103mol-1),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(2.998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·81),A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=P2=P外=P·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)及光化學(xué)研究收稿日期: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-V)CH4+202+7.52N2→CO2+2H20(g)+7燃燒反應可近似地看成絕熱反應,52N2+1.5hy即:Q=0(4)1某些物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)將(2)、(3)、(4)式代入(1)式得:V2)-(+pH)=-W1-919n物質(zhì)jm,kK-a+67/K+c(T/X)-24A(20)(U2 +plb×103c/x10-574.848根據焓的定義H=U+PV0236.1624.310H2o(g)30.0010.7241,820.1196n因而△H=H2-H2=-W;-A(5)-8.54-393.514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)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+2H2△HT=w=01196n7.32o N 298KN2970,p(3)H2+0·→H2O+hy(4)C+0·→C0+h等灘等壓過(guò)程等壓升串過(guò)程(5)2co+02-+2CO2mol CO. 2mol H:O(R).7-52mol N 298KP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+2H2O(g)+圖1甲烷完全燃燒時(shí)的途徑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,H2QO,g)+△H(298K,CO2)-△H:(298K,CH4)=(-23天然氣發(fā)動(dòng)機的效率241.827-393.514+74.848)k:ml3.1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[,.(CO2)+2 C(H2 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7.52Cm(N2)]dT氣中N2的含量為79%,O2的含量為21%,甲烷與空氣中的氧氣完全反應時(shí),反應式為:10r2)2x(30.00+10.71×103T+0.33×118遼寧大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版011年10572)+7.52×(27.87+427×10-7)]時(shí),發(fā)動(dòng)機的工作效率為40.63%這一數值與實(shí)dr|J·mod-1=["(313.72+62.570×10T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019×1057-2)dr]J=237.138x103J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=H2(298K)+△H1=(-802.32+可能正好是化學(xué)反應的理論比等237.138)kJ·mol-=-565.182kJ·moll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450-500m0,取λ=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0.1196565.182×100=-W;-500×10到該效率的條件是甲烷完全燃燒,空氣進(jìn)人量恰W:=325.982kJ·mol-1好符合化學(xué)反應的方程式,且產(chǎn)物的溫度達到常溫熱機效率:η=3254H(298K)802.32X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+7.52N40,63%排氣時(shí)的溫度為298K根據公式(5)得:O2+2H2O(g)+7.52N2+1.5h29850070.19%-802.32×103=-W,-0.1196×15500×10-W;=563.12kJ·mol參考文獻:W熱機效率為:7=△H(298)8022×(1李剛,內燃機M]北京中國鐵道出版社,20031100%=70.19%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遼寧大學(xué)學(xué)報效率的條件是甲烷完全燃燒,空氣進(jìn)入量恰好符自然科學(xué)版,2002,29(3):266-271[3]高志崇.甲烷燃燒反應的火焰溫度[門(mén)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):32-4小結[4]高志崇.甲烷爆炸后體系的溫度與壓力[J]遼寧大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版2008,35(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]廖雨郊,物理化學(xué)[M]北京:高等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)1994:557-584反應的比例完全燃燒,且排氣時(shí)的溫度為970K【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1191989:325.The Thermodynamic Efficiency of Natural Gas EngineGAO Zhi-chongDepartment of Chemistry and Environmental Science, Taishan University, Tai an 271000, China))and number( n)of photons sent by combustion reaction was deduced as AH=-w-0199 ngth(AAbstract: The relation among the change of enthalpy( AH), mechanical work(W,), the waveleThe for-mula to calculate thermodynamic efficiency( n)of engine was n△H2(298KIf the fuel of engine wasmethane 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)