遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)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(jī)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(dǎo)了變AH、機(jī)械功W與燃燒反應(yīng)放出的光子的波長A、數(shù)量n之間的關(guān)系,公式為AH=聊,、01902,計(jì)算熱機(jī)效率n的公式為們“AFE(28k)°若發(fā)動(dòng)機(jī)燃料為甲烷排氣溫度為970K,計(jì)算得到的熱機(jī)效率為4063%;若排氣溫度為298K熱機(jī)效率為70.19%。關(guān)鍵詞:燃燒反應(yīng);焓;熱效率;波長;內(nèi)燃機(jī)中圖分類號(hào):0643.21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10005846(2011)020116040引言分析熱機(jī)是將熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)器,包括內(nèi)燃機(jī)、蒸燃燒反應(yīng)的反應(yīng)焓△H與光子數(shù)汽機(jī)汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)在,汽車量波長及機(jī)械功之間的關(guān)系用發(fā)動(dòng)機(jī)是內(nèi)燃機(jī)隨著社會(huì)的發(fā)展汽車越來越汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)能源問題日益關(guān)個(gè)方面:(1)對(duì)外作機(jī)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(jī)械功和光都屬于非體積功1824年,法國工程師卡諾設(shè)計(jì)了卡諾熱機(jī),給出根據(jù)熱力學(xué)第一定律,則有了熱機(jī)效率的計(jì)算公式,為提高熱機(jī)效率指出了AU= U2-U, =Q方向,對(duì)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(jī)是可逆熱機(jī),實(shí)際工作的熱機(jī)功W為有用功,W為光子的能量(規(guī)定體系對(duì)不是可逆熱機(jī)盡管現(xiàn)在熱機(jī)的工作效率比19世環(huán)境作功為正值)紀(jì)初的熱機(jī)的效率已經(jīng)有了很大的提高,但是,現(xiàn)假設(shè)某燃燒反應(yīng)發(fā)出nmol光子,則有2-:在各種內(nèi)燃機(jī)的效率仍然較低,四沖程柴油機(jī)的nNhc/A=0.1196n/A(2)熱效率為0.43~0.50,四沖程汽油機(jī)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(jī)的工作效率為什么這么為阿伏加德羅常數(shù)(6.022×103mo-),h為普低?熱機(jī)效率的極限是多少?近幾年來,由于天朗克常數(shù)(6.626×10-J·s),c為光速(2998然氣汽車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(m)速發(fā)展由于天然氣的化學(xué)成分較為簡單,下面將假設(shè)燃燒反應(yīng)是在恒壓條件下進(jìn)行的,且:以天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為例,從化學(xué)熱力學(xué)的角度予以P1=中國煤化工CNMHG作者簡介:高志崇(1966-)女,山東招遠(yuǎn)人,副教授從事燃燒化學(xué)及光化子訓(xùn)收稿日期:2010-10-11第2期高志崇:天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率117那么W=p(V2-V1)(3)CH4+202+7.52N2→CO2+2H20(g)+7燃燒反應(yīng)可近似地看成絕熱反應(yīng)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(jù)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(yīng)熱△H(298K)可以看四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)是活塞往復(fù)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(jī)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)過程燃燒膨脹過程結(jié)束時(shí),柴油機(jī)氣缸中氣W體的溫度為970K~1170K,汽油機(jī)氣缸中氣體△,H°(298K)(6)的溫度為1170K-1470K(,為計(jì)算方便起見,將發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程看成是等壓過程假設(shè)天然氣2甲烷燃燒反應(yīng)機(jī)理發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度為970K,由于焓是狀態(tài)函數(shù),甲烷燃燒反應(yīng)的機(jī)理為2因而可設(shè)計(jì)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等灘等壓過程等壓升串過程(5)2co+02-+2CO2由以上機(jī)理可以看出,甲烷完全燃燒反應(yīng)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(jī)的效率241.827-393.514+74.848)k·moll=3.1發(fā)動(dòng)機(jī)的效率802.32kJ·mol-1天然氣的主要成分是甲烷達(dá)90%以上為由圖1可以看出:計(jì)算方便起見,以甲烷為燃料計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)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)見表1.假設(shè)本文計(jì)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(yīng)時(shí),反應(yīng)式為:CNMHG105T2)2x(30.00+10.-3T+0.33118遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版2011年10572)+7.52x(27.87+4.27×10-7)]時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率為40.63%這一數(shù)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(jī)在工作0.19×1072)d]J·mol-=237.138×103時(shí)不可能是絕熱的(3)運(yùn)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(yīng)的理論比等237.138)kJ·mol-1=-565.182kJ·mol-l另外,發(fā)動(dòng)機(jī)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(lán)色,藍(lán)色的波個(gè)問題從本文的計(jì)算來看,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣時(shí)的溫長范圍為450-500m6,取A=500m予以計(jì)度為常溫298K時(shí),其效率為70.19%這一數(shù)值算根據(jù)公式(5)得可視為以甲烷為燃料的熱機(jī)的極限效率,因?yàn)檫_(dá)-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(yīng)的方程式,且產(chǎn)物的溫度達(dá)到常W;=325.982kJ·mol1熱機(jī)效率:=△H(8=802.32×為比較方便起見,將不同排氣溫度時(shí)的熱機(jī)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(jì)算可以看出,以甲烷作為燃料的發(fā)利于提高熱機(jī)效率實(shí)際熱機(jī)效率與多方面因素動(dòng)機(jī)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(duì)熱機(jī)效率進(jìn)行為40.63%,該計(jì)算值與實(shí)際的利用率較為接近了理論探討,為熱機(jī)效率提供了一個(gè)新的分析角3.2天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最高效率度表2不同排氣溫度時(shí)的熱機(jī)效率若要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率,可通過降低產(chǎn)物溫度實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物溫度越低熱機(jī)工作效率越高排氣溫度波長熱機(jī)效率反應(yīng)式在通常情況下,產(chǎn)物最終溫度為常溫假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)CH4+202+7.52N2→排氣時(shí)的溫度為298K根據(jù)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(xiàn):563.12熱機(jī)效率為:7△=(298K)8221]李剛內(nèi)燃機(jī)[M]·北京中國鐵道出版社2007.31100%=70.19%%可視為熱機(jī)效率的極限因?yàn)檫_(dá)到該[2]高志崇.烴燃燒反應(yīng)機(jī)理探討[J]遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)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(yīng)的火焰溫度[].山西大學(xué)合化學(xué)反應(yīng)的方程式,且產(chǎn)物的溫度達(dá)到常溫學(xué)報(bào),2004,27(1):32-34.4小結(jié)[4]高志崇.甲烷爆炸后體系的溫度與壓力遼寧學(xué)報(bào)自然科學(xué)版200835(2)143-146.本文以天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為例說明了發(fā)動(dòng)機(jī)的[5]中國煤化工尊教育出版社工作效率假設(shè)甲烷與空氣的比例正好符合化學(xué)CNMHG反應(yīng)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(jī)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(zé)任編輯李超)中國煤化工CNMHG