Стехиометрическая горючая смесь

Стехиометри́ческая горю́чая смесь (от др.-греч. στοιχεῖον «основа; элемент» + μετρέω «измеряю») — смесь окислителя и горючего, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего.

Стехиометрическая смесь обеспечивает полное сгорание топлива без остатка избыточного окислителя в продуктах горения.

Определения

Отношение количества окислителя к количеству топлива в процессе сжигания или в горючей смеси топливо — окислитель измеряют либо в виде отношения масс, либо в отношении объёмов, либо в отношении количества молей. Соответственно, различают массовое $L_{0},$, объёмное $L_{V}$ и молярное $L_{M}$ отношения:

$L_{0}={\frac {m_{o}}{m_{f}}},$

$L_{V}={\frac {V_{o}}{V_{f}}},$

$L_{M}={\frac {M_{o}}{M_{f}}},$

где $m_{o},\ m_{f}$ — массы окислителя и топлива;

$V_{o},\ V_{f}$ — объёмы окислителя и топлива;

$M_{o},\ M_{f}$ — молярное количество окислителя и топлива (число молей).

Для газообразных смесей топлива и окислителя в соответствии с законом Авогадро $L_{M}=L_{V}.$

Если в процессе химической реакции горения в продуктах горения не будет ни свободного окислителя, ни несгоревшего топлива, то такое соотношение топлива и окислителя называют стехиометрическим.

Например, реакция горения водорода в кислороде со стехиометрическими коэффициентами:

${\ce {2H2 + O2 -> 2H2O}}$.

В этой реакции в продуктах горения (в правой части уравнения) нет ни горючего, ни окислителя, причём на 2 моля водорода требуется 1 моль кислорода, или, по закону Авогадро, на 2 объёма водорода 1 объём кислорода, или на 4 г водорода 32 г кислорода, то есть, при полном сгорании водорода без избытка кислорода: $L_{Vst}=L_{Mst}=1/2=0,5,$ $L_{0st}=32/4=8.$ Эти численные значения называют стехиометрическими отношениями.

Стехиометрические отношения зависят от вида топлива и окислителя, например, в реакции горения метана в кислороде:

${\ce {CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}}$

$L_{Vst}=L_{Mst}=2,$ $L_{0st}=64/16=4.$

Коэффициентом избытка окислителя называют отношение фактического отношения окислитель/топливо к стехиометрическому:

$\alpha =L_{0}/L_{0st}=L_{V}/L_{Vst}=L_{M}/L_{Mst},$

причём $\alpha$ не зависит в каком виде определено отношение окислитель/топливо массовом, молярном или объёмном. Очевидно, что при стехиометрическом отношении окислитель/топливо $\alpha =1.$

Смеси топливо/окислитель у которых $\alpha <1$ называют богатыми смесями, а $\alpha >1$ — бедными.

В зарубежной научно-технической литературе коэффициент избытка окислителя обычно обозначают буквой $\lambda .$

Также используется параметр, называемый коэффициентом избытка топлива $\phi =1/\alpha ,$ величина, обратная к коэффициенту избытка окислителя.

Отношение воздух/топливо и коэффициент избытка воздуха

Наиболее часто используемый окислитель — кислород атмосферного воздуха, поэтому часто используется понятие коэффициент отношения воздух/топливо — отношение массы $L_{0a}$ или объёма $L_{Va}$ воздуха к массе или объёму топлива:

$L_{0a}={\frac {m_{a}}{m_{f}}},$

$L_{Va}={\frac {V_{a}}{V_{f}}},$

где $m_{a},\ m_{f}$ — массы воздуха и топлива;

$V_{a},\ V_{f}$ — объёмы воздуха и топлива.

Иногда, при расчётах по стехиометрическим уравнениям горения, применяют молярное отношение воздуха к топливу, при этом считают, что молекулярная масса воздуха примерно равна 29 г/моль.

$L_{Ma}={\frac {M_{a}}{M_{f}}},$

где $M_{a},\ M_{f}$ — молярное количество воздуха и топлива (число молей).

Горючее	$L_{0ast}$	$L_{Vast}$	$L_{Mast}$
Водород	34,2	2,43	2,4
Метан	17,2	9,66	9,5
Пропан	16,1	24,2	23,5
Бутан	15,4	30,8	31,0
Бензин Б-70	14,7	9430	54,2

Воздух содержит другие газы, не участвующие в процессе горения, в основном это азот с объёмной (и молярной) концентрацией около 78 %. Для расчёта стехиометрического соотношения воздух/топливо этот азот и другие инертные газы нужно учитывать в уравнении химической реакции, для простоты коэффициентов уравнения примем, что в воздухе на 1 молекулу (объём) кислорода приходится 4 молекулы (объёма) азота, тогда уравнение горения метана в воздухе будет:

${\ce {CH4 + 2O2 + 8N2 -> CO2 + 2H2O + 8N2}}$,

откуда следует, что на 1 объём метана для стехиометрического горения в воздухе требуется приблизительно 10 объёмов воздуха, точнее — 9,66 объёмов, расхождение обусловлено тем, что в уравнении не учтён аргон воздуха с концентрацией около 1 об. % и точное объемное значение концентрации кислорода в воздухе равное 20,95 %.

Стехиометрические отношения воздух/топливо для некоторых топлив приведены в таблице для воздуха при температуре 25°С и давлении 100 кПа.

Отношение фактического объёма или массы воздуха к стехиометрическому объёму или массе воздуха называют коэффициентом избытка воздуха $\alpha$:

$\alpha =L_{0a}/L_{0ast}=L_{Va}/L_{Vast}=L_{M}/L_{Mst}.$

Коэффициент избытка воздуха в различных топливосжигающих устройствах и двигателях

Зависимости мощности и удельного расхода топлива для ДВС с искровым зажиганием от коэффициента избытка воздуха

Двигатели внутреннего сгорания

Коэффициент избытка воздуха $\alpha$ всегда для стехиометрической смеси равен единице. Но практически в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) этот коэффициент отличается от 1. Так например, оптимальный с точки зрения экономичности $\alpha$ для двигателей с искровым зажиганием 1,03—1,05, это превышение обусловлено тем, что из-за несовершенства смешения топлива с воздухом в карбюраторе или цилиндре двигателя с впрыском топлива для полного сгорания топлива необходимо небольшое увеличение $\alpha$. С другой стороны, наибольшая мощность двигателя при прочих равных достигается при работе на более богатых смесях ($\alpha =0,83...0,88$). На рисунке показаны зависимости мощности и экономичности двигателя с искровым зажиганием от $\alpha$ и соотношения воздух/топливо для бензина при некоторых значениях $\alpha$. Так, для бензина стехиометрическое соотношение воздух/топливо по массе составляет 14,7, для смеси пропан-бутан это соотношение равно 15,6.

В современных двигателях поддержание $\alpha$ близкого к оптимальному осуществляется с помощью автоматической системы управления соотношением топливо/воздух. Основным датчиком в таких системах служит датчик концентрации свободного кислорода в выхлопных газах двигателя — так называемый лямбда-зонд.

В дизельных двигателях для исключения сильного сажеобразования $\alpha$ поддерживают на уровне 1,1…1,3.

Газовые турбины

В камере сгорания газовой турбины, например двигателя самолёта $\alpha$ поддерживается близким к 1. Но перед лопатками турбины для снижения температуры газа из соображений жаропрочности лопаток газ из камеры сгорания разбавляется воздухом, отбираемым от компрессора турбины, что снижает его температуру от приблизительно 1600 °C до 1300…1400 °C, поэтому $\alpha$ в выхлопных газах турбины $\alpha$ значительно больше 1 и достигает 5.

Промышленные, отопительные и бытовые котлы

$\alpha$ в таких котлах существенно зависит от вида топлива. В газовых котлах небольшой мощности или производительности $\alpha$ составляет 1,2…1,4, в крупных энергетических котлах сжигающих природный газ — 1,03…1,1. В котлах, работающих на жидком и твёрдом топливе для полноты сгорания $\alpha$ поддерживается в пределах от 1,5 до 2…3.

Литература

• Baehr H. B. Thermodynamik, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1988, ISBN 3-540-18073-7.
• Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. Пер. с англ. под ред. К. И. Щелкина, А. А. Борисова. М.: Мир 1968

Ссылки

• «Вокруг света». Искусственное дыхание для мотора. Умеренность в потреблении бензина — залог долголетия и высокого КПД.