Функция использования остаточного тепла двигателя что это

- Википедия

Химическая реакция

Сжигание или сгорание , ^[1] представляет собой высокотемпературную экзотермическую окислительно-восстановительную химическую реакцию между топливом (восстановителем) и окислителем, обычно кислородом воздуха, который образует окисленные, часто газообразные продукты, в смеси называется дымом. Горение не всегда приводит к пожару, но когда это происходит, пламя является характерным индикатором реакции.В то время как энергия активации должна быть преодолена, чтобы инициировать горение (например, используя зажженную спичку, чтобы зажечь огонь), тепло от пламени может обеспечить достаточно энергии, чтобы сделать реакцию самоподдерживающейся. Горение часто представляет собой сложную последовательность элементарных радикальных реакций. Твердые виды топлива, такие как древесина и уголь, сначала подвергаются эндотермическому пиролизу с образованием газообразного топлива, сгорание которого затем обеспечивает тепло, необходимое для производства большего количества из них. Сгорание часто бывает достаточно горячим, и возникает свет накаливания в виде светящегося или пламени.Простой пример можно увидеть в сгорании водорода и кислорода в водяном паре, реакции, обычно используемой для заправки ракетных двигателей. Эта реакция выделяет 242 кДж / моль тепла и соответственно уменьшает энтальпию (при постоянной температуре и давлении):

2H
^{₂ (г) + O
₂ (г) → 2H
2O (г)}

Сжигание органического топлива в воздухе всегда экзотермическое, поскольку двойная связь в O ₂ намного слабее, чем другие двойные связи или пары одинарных связей, и поэтому образование более сильных связей в продуктах сгорания CO
2 и H
2O приводит к выделению энергии. ^[2] Энергии связи в топливе играют лишь незначительную роль, поскольку они аналогичны таковым в продуктах сгорания; например, сумма энергий связи CH ₄ почти такая же, как у CO
2. Теплота сгорания составляет приблизительно −418 кДж на моль O ₂ , использованного в реакции горения, и может быть оценивается по элементному составу топлива. ^[2]

Некатализированное горение на воздухе требует относительно высоких температур.Полное сгорание является стехиометрическим в отношении топлива, где нет оставшегося топлива и в идеале нет остаточного окислителя. Термодинамически химическое равновесие горения на воздухе в подавляющем большинстве находится на стороне продуктов. Однако полного сгорания практически невозможно достичь, поскольку химическое равновесие не обязательно достигается или может содержать несгоревшие продукты, такие как окись углерода, водород и даже углерод (сажа или зола). Таким образом, образующийся дым обычно токсичен и содержит несгоревшие или частично окисленные продукты.Любое сгорание при высоких температурах в атмосферном воздухе, которое составляет 78 процентов азота, также приведет к образованию небольших количеств нескольких оксидов азота, обычно называемых NOx, поскольку сгорание азота термодинамически выгодно при высоких, но не низких температурах. Поскольку горение редко бывает чистым, по закону может потребоваться очистка дымовых газов или каталитические нейтрализаторы.

Пожары происходят естественным путем, поджигаются ударами молнии или вулканическими продуктами. Горение (огонь) было первой контролируемой химической реакцией, обнаруженной людьми, в форме костров и костров, и продолжает оставаться основным методом производства энергии для человечества.Обычно топливо представляет собой углерод, углеводороды или более сложные смеси, такие как древесина, которая содержит частично окисленные углеводороды. Тепловая энергия, получаемая в результате сжигания ископаемого топлива, такого как уголь или нефть, или из возобновляемого топлива, такого как дрова, собирается для различных целей, таких как приготовление пищи, производство электроэнергии или промышленное или бытовое отопление. Горение также в настоящее время является единственной реакцией, используемой для питания ракет. Сжигание также используется для уничтожения (сжигания) отходов, как опасных, так и опасных.

Окислители для сжигания имеют высокий потенциал окисления и включают атмосферный или чистый кислород, хлор, фтор, трифторид хлора, закись азота и азотную кислоту. Например, водород сгорает в хлоре с образованием хлористого водорода с выделением тепла и света, характерных для горения. Хотя обычно не катализируется, сгорание может быть катализировано платиной или ванадием, как в процессе контакта.

Полное и неполное [править]

завершено [править]

При полном сгорании реагент сгорает в кислороде и производит ограниченное количество продуктов.Когда углеводород сгорает в кислороде, в результате реакции в основном образуются углекислый газ и вода. Когда элементы сжигаются, продукты являются в первую очередь наиболее распространенными оксидами. Углерод будет давать диоксид углерода, сера - диоксид серы, а железо - оксид железа (III). Азот не считается горючим веществом, когда кислород является окислителем. Тем не менее, небольшие количества различных оксидов азота (обычно обозначаемых NO
^{_x видов) образуются, когда воздух является окислителем}

Горение не обязательно благоприятно для максимальной степени окисления, и оно может зависеть от температуры.Например, триоксид серы не производится количественно при сжигании серы. Виды NOx появляются в значительных количествах выше примерно 2800 ° F (1540 ° C), и больше вырабатывается при более высоких температурах. Количество NOx также зависит от избытка кислорода. ^[3]

В большинстве промышленных применений и при пожарах источником кислорода является воздух (O
^{₂ ). В воздухе каждый моль кислорода смешивается с приблизительно 3,71 моль азота. Азот не участвует в сгорании, но при высоких температурах некоторое количество азота преобразуется в NO
_x (в основном, NO, с гораздо меньшими количествами NO
₂ ).С другой стороны, когда кислорода недостаточно для полного сгорания топлива, часть углерода в топливе превращается в монооксид углерода, а некоторые водороды остаются непрореагировавшими. Поэтому полный набор уравнений для сжигания углеводорода в воздухе требует дополнительного расчета для распределения кислорода между углеродом и водородом в топливе.}

Количество воздуха, необходимое для полного сгорания, известно как чистый воздух ^{[ цитирование необходимо ]} .Однако на практике используемый воздух в 2-3 раза больше чистого воздуха.

Неполное сгорание [править]

Неполное сгорание будет происходить, когда не хватает кислорода, чтобы позволить топливу полностью прореагировать с образованием углекислого газа и воды. Это также происходит, когда сгорание гасится теплоотводом, таким как твердая поверхность или ловушка пламени. Как и в случае полного сгорания, вода образуется в результате неполного сгорания; однако вместо диоксида углерода образуются углерод, монооксид углерода и гидроксид.

Для большинства видов топлива, таких как дизельное топливо, уголь или древесина, пиролиз происходит перед сжиганием. При неполном сгорании продукты пиролиза остаются несгоревшими и загрязняют дым вредными частицами и газами. Частично окисленные соединения также являются проблемой; Частичное окисление этанола может привести к образованию вредного ацетальдегида, а углерод - токсичного монооксида углерода.

Конструкция устройств сгорания может улучшить качество сгорания, таких как горелки и двигатели внутреннего сгорания.Дальнейшие улучшения достигаются с помощью каталитических устройств дожигания (таких как каталитические нейтрализаторы) или простого частичного возврата выхлопных газов в процесс сгорания. Такие устройства требуются природоохранным законодательством для автомобилей в большинстве стран. Они могут быть необходимы для того, чтобы крупные устройства сгорания, такие как тепловые электростанции, могли достигать законных норм выбросов.

Степень сгорания может быть измерена и проанализирована с помощью испытательного оборудования. Подрядчики HVAC, пожарные и инженеры используют анализаторы горения для проверки эффективности горелки в процессе горения.Кроме того, эффективность двигателя внутреннего сгорания может быть измерена таким образом, и некоторые штаты США и местные муниципалитеты используют анализ сгорания для определения и оценки эффективности транспортных средств на дороге сегодня.

При неполном сгорании образуется оксид углерода [править]

Окись углерода - один из продуктов неполного сгорания. ^[4] Углерод выделяется при нормальной неполной реакции горения, образуя сажу и пыль. Поскольку окись углерода считается ядовитым газом, полное сгорание является предпочтительным, поскольку окись углерода может также привести к респираторным расстройствам при дыхании, поскольку она заменяет кислород и соединяется с гемоглобином. ^[5]

Проблемы, связанные с неполным сгоранием [править]

Экологические проблемы: ^[6]

Эти оксиды соединяются с водой и кислородом в атмосфере, образуя азотную кислоту и серные кислоты, которые возвращаются на поверхность Земли в результате кислотного осаждения или «кислотного дождя». Кислотные отложения наносят вред водным организмам и убивают деревья. Из-за образования определенных питательных веществ, которые менее доступны для растений, таких как кальций и фосфор, это снижает продуктивность экосистемы и ферм.Дополнительная проблема, связанная с оксидами азота, заключается в том, что они, наряду с углеводородными загрязнителями, способствуют образованию тропосферного озона, основного компонента смога.

Проблемы со здоровьем человека: ^[6]

Вдыхание угарного газа вызывает головную боль, головокружение, рвоту и тошноту. Если уровень окиси углерода достаточно высок, люди теряют сознание или умирают. Воздействие умеренных и высоких уровней угарного газа в течение длительных периодов положительно коррелирует с риском сердечно-сосудистых заболеваний.Люди, которые переживают тяжелое отравление угарным газом, могут страдать от долговременных проблем со здоровьем. ^[7] Угарный газ из воздуха поглощается в легких, который затем связывается с гемоглобином в эритроцитах человека. Это уменьшит способность эритроцитов переносить кислород по всему организму.

Тлеющий [править]

Тление - это медленная, низкотемпературная, беспламенная форма горения, поддерживаемая теплом, выделяемым при непосредственном воздействии кислорода на поверхность топлива в конденсированной фазе.Это типично неполная реакция горения. Твердые материалы, которые могут выдерживать реакцию тления, включают уголь, целлюлозу, древесину, хлопок, табак, торф, туф, гумус, синтетические пены, обуглившиеся полимеры (включая пенополиуретан) и пыль. Распространенными примерами тлеющих явлений являются возникновение пожаров в жилых помещениях на мягкой мебели из-за слабых источников тепла (например, сигареты, короткозамкнутого провода) и постоянного сжигания биомассы за пламенными фронтами лесных пожаров.

Rapid [редактировать]

Быстрое сгорание - это форма сгорания, также известная как пожар, при которой выделяется большое количество тепла и световой энергии, что часто приводит к пламени. Это используется в форме машин, таких как двигатели внутреннего сгорания и в термобарическом оружии. Такое сгорание часто называют взрывом, хотя для двигателя внутреннего сгорания это неточно. ^{[спор - обсуждение ]} Двигатель внутреннего сгорания номинально работает на управляемом быстром сгорании. Когда взрывается топливно-воздушная смесь в двигателе внутреннего сгорания, это называется детонацией. ^{[ оспаривается - обсуждается ]}

Спонтанный [править]

Самовозгорание - это тип горения, который происходит при саморазогреве (повышение температуры из-за экзотермических внутренних реакций), за которым следует тепловое убегание (самонагревание, которое быстро ускоряется до высоких температур) и, наконец, воспламенение.Например, фосфор самовоспламеняется при комнатной температуре без применения тепла. Органические материалы, подвергающиеся бактериальному компостированию, могут генерировать достаточно тепла, чтобы достичь точки сгорания. ^[8]

Турбулентный [править]

Горение, приводящее к турбулентному пламени, наиболее широко используется в промышленности (например, газовые турбины, бензиновые двигатели и т. Д.), Поскольку турбулентность помогает процессу смешивания топлива и окислителя.

Микрогравитация [править]

Термин «микрогравитация» относится к гравитационному состоянию, которое является «низким» (т. Е. «Микро» в смысле «малой» и необязательно миллионной доли нормальной гравитации Земли), так что влияние плавучести на физические процессы может считаться малым по сравнению с другими процессами потока, которые будут присутствовать при нормальной гравитации. В такой среде динамика переноса тепла и потока может вести себя совершенно иначе, чем в условиях нормальной гравитации (например, пламя свечи принимает форму сферы. ^[9] ). Исследования горения в условиях микрогравитации способствуют пониманию широкого спектра аспектов, которые имеют отношение как к окружающей среде космического корабля (например, к динамике пожара, относящейся к безопасности экипажа на Международной космической станции), так и к наземным (наземным) условиям (например, капля) динамика сгорания, чтобы помочь в разработке новых топливных смесей для улучшения сгорания, процессов изготовления материалов, терморегулирования электронных систем, динамики кипения многофазного потока и многих других).

Микро-сгорание [править]

Процессы сгорания, которые происходят в очень небольших объемах, считаются микрогорючим. Высокое отношение поверхности к объему увеличивает удельные тепловые потери. Расстояние гашения играет жизненно важную роль в стабилизации пламени в таких камерах сгорания.

Химические уравнения [править]

Стехиометрическое сжигание углеводорода в кислороде [править]

Как правило, химическое уравнение для стехиометрического сжигания углеводорода в кислороде:

CxHy + zO2⟶xCO2 + y2h3O {\ displaystyle {\ ce {C _ {\ mathit {x}} H _ {\ mathit {y}} {} + {\ mathit {z}} O2 -> {\ mathit {x }} CO2 {} + {\ frac {\ mathit {y}} {2}} h3O}}}

, где z = x + y4 {\ displaystyle z = x + {\ frac {y} {4}}} ,

Например, стехиометрическое сжигание пропана в кислороде:

C3H8пропан (топливо) + 5O2oxygen⟶3CO2 диоксид углерода + 4h3Owater {\ displaystyle {\ ce {{\ underset {пропан \ atop (топливо)} {C3H8}} + {\ underset {кислород} {5O2}} -> {\ underset {carbon \ двуокись} {3CO2}} + {\ underset {вода} {4h3O}}}}}

Стехиометрическое сжигание углеводорода в воздухе [править]

Если стехиометрическое сгорание происходит с использованием воздуха в качестве источника кислорода, азот, присутствующий в воздухе (атмосфера Земли), может быть добавлен к уравнению (хотя он не реагирует), чтобы показать стехиометрический состав топлива в воздухе и состав образующегося дымового газа.Обратите внимание, что обработка всех некислородных компонентов в воздухе в качестве азота дает отношение азота к кислороду 3,77, то есть (100% - O2%) / O2%, где O2% составляет 20,95% об .:

CxHy + zO2 + 3.77zN2⟶ xCO2 + y2h3O + 3.77zN2 {\ displaystyle {\ ce {C}} _ ​​{x} {\ ce {H}} _ {y} + z {\ ce {O2}} + 3.77z {\ ce {N2 ->}} \ x {\ ce {CO2}} + {\ frac {y} {2}} {\ ce {h3O}} + 3.77z {\ ce {N2}}}

где z = x + 14y {\ displaystyle z = x + {\ frac {1} {4}} y}.

Например, стехиометрическое сжигание пропана (C3H8 {\ displaystyle {\ ce {C3H8}}}) в воздухе:

C3H8 топливо + 5O2 кислород + 18.87N2nitrogen⟶3CO2 диоксид углерода + 4h3Вода + 18.87N2 азот {\ displaystyle {\ ce {{\ underset {fuel} {C3H8}} + {\ underset {oxygen} {5O2}}}} + {\ underset {\ ce {азот}} {18.87 {\ ce {N2}}}} {\ ce {-> {\ underset {carbon \ двуокись} {3CO2}} + {\ underset {вода} {4h3O}}}} + {\ underset {\ ce { азот}} {18.87 {\ ce {N2}}}}}

Стехиометрический состав пропана в воздухе составляет 1 / (1 + 5 + 18,87) = 4,02 об.%.

Стехиометрическая реакция горения для C _α H _β O _γ в воздухе:

CαHβOγ + (α + β4 − γ2) (O2 + 3.77N2) COαCO2 + β2h3O + 3,77 (α + β4 − γ2) N2 {\ displaystyle {C _ {\ mathit {\ alpha}} H _ {\ mathit {\ beta}} O _ {\ mathit {\ gamma}}} + \ слева (\ alpha + {\ frac {\ beta} {4}} - {\ frac {\ gamma} {2}} \ right) \ left (O_ {2} + 3.77N_ {2} \ right) \ longrightarrow \ alpha CO_ {2} + {\ frac {\ beta} {2}} H_ {2} O + 3,77 \ left (\ alpha + {\ frac {\ beta} {4}} - {\ frac {\ gamma} { 2}} \ right) N_ {2}}

Стехиометрическая реакция горения для C _α H _β O _γ S _δ :

CαHβOγSδ + (α + β4 − γ2 + δ) (O2 + 3.77N2) COαCO2 + β2h3O + δSO2 + 3,77 (α + β4 − γ2 + δ) N2 {\ displaystyle {C _ {\ mathit {\ alpha}} H _ {\ mathit {\ beta}} O _ {\ mathit {\ gamma} } S _ {\ mathit {\ delta}}} + \ left (\ alpha + {\ frac {\ beta} {4}} - {\ frac {\ gamma} {2}} + \ delta \ right) \ left ( O_ {2} + 3.77N_ {2} \ right) \ longrightarrow \ alpha CO_ {2} + {\ frac {\ beta} {2}} H_ {2} O + \ delta SO_ {2} +3.77 \ left (\ alpha + {\ frac {\ beta} {4}} - {\ frac {\ gamma} {2}} + \ delta \ right) N_ {2}}

Стехиометрическая реакция горения для C _α H _β O _γ N _δ S _ε :

CαHβOγNδSϵ + (α + β4 − γ2 + ϵ) (O2 + 3.77N2) COαCO2 + β2h3O + ϵSO2 + (3.77 (α + β4 − γ2 + ϵ) + δ2) N2 {\ displaystyle {C _ {\ mathit {\ alpha}} H _ {\ mathit {\ beta}} O _ {\ mathit { \ gamma}} N _ {\ mathit {\ delta}} S _ {\ mathit {\ epsilon}}} + \ left (\ alpha + {\ frac {\ beta} {4}} - {\ frac {\ gamma} { 2}} + \ epsilon \ right) \ left (O_ {2} + 3.77N_ {2} \ right) \ longrightarrow \ alpha CO_ {2} + {\ frac {\ beta} {2}} H_ {2} O + \ epsilon SO_ {2} + \ left (3.77 \ left (\ alpha + {\ frac {\ beta} {4}} - {\ frac {\ gamma} {2}} + \ epsilon \ right) + {\ frac {\ delta} {2}} \ right) N_ {2}}

Стехиометрическая реакция горения для C _α H _β O _γ F ​​ _δ :

CαHβOγFδ + (α + β − δ4 − γ2) (O2 + 3.77N2) COαCO2 + β − δ2h3O + δHF + 3,77 (α + β − δ4 − γ2) N2 {\ displaystyle {C _ {\ mathit {\ alpha}} H _ {\ mathit {\ beta}} O _ {\ mathit {\ гамма}} F _ {\ mathit {\ delta}}} + \ left (\ alpha + {\ frac {\ beta - \ delta} {4}} - {\ frac {\ gamma} {2}} \ right) \ слева (O_ {2} + 3.77N_ {2} \ right) \ longrightarrow \ alpha CO_ {2} + {\ frac {\ beta - \ delta} {2}} H_ {2} O + \ delta HF + 3.77 \ left (\ alpha + {\ frac {\ beta - \ delta} {4}} - {\ frac {\ gamma} {2}} \ right) N_ {2}}

Следовые продукты сгорания [править]

Различные другие вещества начинают появляться в значительных количествах в продуктах сгорания, когда температура пламени выше примерно 1600 К.При использовании избытка воздуха азот может окисляться до NO и, в значительно меньшей степени, до NO
^{₂ . CO образуется путем диспропорционирования CO
2, а H
₂ и OH образуется путем диспропорционирования H
2O.}

Например, когда 1 моль пропана сжигается с 28,6 моль воздуха (120% от стехиометрического количества), продукты сгорания содержат 3,3% O
^{₂ . При 1400 К продукты равновесного сгорания содержат 0,03% NO и 0.002% ОН. При 1800 K продукты сгорания содержат 0,17% NO, 0,05% OH, 0,01% CO и 0,004% H
₂ . [10]}

Дизельные двигатели работают с избытком кислорода для сжигания мелких частиц, которые имеют тенденцию образовываться только со стехиометрическим количеством кислорода, обязательно производя выбросы оксида азота. Как в Соединенных Штатах, так и в Европейском союзе применяются ограничения на выбросы оксида азота в транспортных средствах, что требует использования специальных каталитических нейтрализаторов или обработки выхлопных газов мочевиной (см. Дизельная выхлопная жидкость).

Неполное сгорание углеводорода в кислороде [править]

Неполное (частичное) сгорание углеводорода с кислородом приводит к образованию газовой смеси, содержащей в основном CO
^{₂ , CO, H
2O и H
₂ . Такие газовые смеси обычно готовят для использования в качестве защитных сред для термической обработки металлов и для цементации газа. [11] Общее уравнение реакции для неполного сгорания одного моля углеводорода в кислороде:}

CxHyfuel + zO2oxygen⟶aCO2 диоксид углерода + bCO угарный газ + ch3Owater + dh3водород {\ displaystyle {\ ce {{\ underset {fuel} {C _ {\ mathit {x}} H _ {\ mathit {y}}}} + {\ underset {кислород} {{\ mathit {z}} O2}} -> {\ underset {carbon \ двуокись} {{\ mathit {a}} CO2}} + {\ underset {углерод \ монооксид} {{\ mathit { b}} CO}} + {\ underset {water} {{\ mathit {c}} h3O}} + {\ underset {водород} {{\ mathit {d}} h3}}}}}

Когда z падает ниже примерно 50% от стехиометрического значения, CH
^{₄ может стать важным продуктом сгорания; когда z падает ниже примерно 35% от стехиометрического значения, элементарный углерод может стать стабильным.}

Продукты неполного сгорания могут быть рассчитаны с помощью материального баланса вместе с предположением, что продукты сгорания достигают равновесия. ^{[12] [13]} Например, при сжигании одного моля пропана (C
^{₃ H
₈ ) с четырьмя молями O
₂ , семь молей сгорания образуются газы, и z составляет 80% от стехиометрического значения. Три уравнения элементного баланса:}

• Углерод: a + b = 3 {\ displaystyle a + b = 3}
• Водород: 2c + 2d = 8 {\ displaystyle 2c + 2d = 8}
• Кислород: 2a + b + c = 8 {\ displaystyle 2a + b + c = 8}

Сами по себе эти три уравнения недостаточны для расчета состава газа сгорания.Однако в положении равновесия реакция сдвига вода-газ дает другое уравнение:

CO + h3O⟶CO2 + h3 {\ displaystyle {\ ce {CO + h3O -> CO2 + h3}}}; Keq = a × db × c {\ displaystyle K_ {eq} = {\ frac {a \ times d} {b \ times c}}}

Например, при 1200 K значение K _экв 0,728. ^[14] Решая, газ сгорания состоит из 42,4% Н
2О, 29,0% СО
2, 14,7% Н
^{₂ и 13,9% СО. Углерод становится стабильной фазой при 1200 К и давлении 1 атм. когда z составляет менее 30% от стехиометрического значения, в этот момент продукты сгорания содержат более 98% H
₂ и CO и около 0.5% CH
₄ .}

Вещества или материалы, которые подвергаются горению, называются топливом. Наиболее распространенными примерами являются природный газ, пропан, керосин, дизельное топливо, бензин, древесный уголь, уголь, древесина и т. Д.

Жидкое топливо

Смотрите также

• 
  Как разобрать двигатель пылесоса томас
• 
  Какой расход масла в двигателе считается нормальным
• 
  Как на двигателе ямз 238 отрегулировать клапана
• 
  Как половинить двигатель на скутере
• 
  Как вычислить мощность двигателя
• 
  Как пробить номер двигателя на угон
• 
  Реактивный двигатель как работает
• 
  Чем внутри промыть двигатель
• 
  Как почистить водяную рубашку в двигателе
• 
  Как вытащить двигатель ваз 2109
• 
  Как промыть радиатор охлаждения двигателя снятый