遼寧大學學報JOURNAL OF LIAONING UNIVERSITY自然科學版Natural Sciences Edition第38卷第2期2011年vo.38No.22011天然氣發(fā)動機的熱效率高志崇(泰山學院化學與環(huán)境科學系,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A數(shù)量a之間的關系公式為AHW,-9.196nA,計算熱機效率n的公式為7=△(28X)若發(fā)動機燃料為甲烷,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%。關鍵詞:燃燒反應;焙;熱效率;波長;內燃機中圖分類號: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(shù)汽機汽輪機燃氣輪機和噴氣發(fā)動機現(xiàn)在汽車量、波長及機械功之間的關系用發(fā)動機是內燃機隨著社會的發(fā)展汽車越來越汽車發(fā)動機燃料燃燒產(chǎn)生的能量主要用于三多,能源消耗日益增加,人們對能源問題日益關個方面:(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(jù)熱力學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,對熱力學理論的發(fā)展起到了重要的推動作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,實際工作的熱機功W為有用功,W為光子的能量(規(guī)定體系對不是可逆熱機盡管現(xiàn)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(xiàn)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(shù)(6.022×103mol-1),h為普低?熱機效率的極限是多少?近幾年來,由于天朗克常數(shù)(6.626×10-J·s),c為光速(2.998然氣汽車具有污染少等多方面優(yōu)點因而得到快10°m·81),A為波長(m)速發(fā)展由于天然氣的化學成分較為簡單,下面將假設燃燒反應是在恒壓條件下進行的,且以天然氣發(fā)動機為例,從化學熱力學的角度予以P1=P2=P外=P·作者簡介:高志崇(1966-),女山東招遠人,副教授從事燃燒化學及光化學研究收稿日期:2010-10-11第2期高志崇:天然氣發(fā)動機的熱效率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某些物質的熱力學性質將(2)、(3)、(4)式代入(1)式得:V2)-(+pH)=-W1-919n物質jm,kK-a+67/K+c(T/X)-24A(20)(U2 +plb×103c/x10-574.848根據(jù)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的反應熱△H(298K)可以看四沖程發(fā)動機是活塞往復四個行程完成一個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),包括進氣、壓縮、燃燒與膨脹作功排氣為四個過程燃燒膨脹過程結束時,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,將發(fā)動機工作過程看成是等壓過程假設天然氣2甲烷燃燒反應機理發(fā)動機的排氣溫度為970K,由于焓是狀態(tài)函數(shù),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等灘等壓過程等壓升串過程(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的方程式為:CH4+202→CO2+2H2O(g)+圖1甲烷完全燃燒時的途徑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)動機的效率241.827-393.514+74.848)k:ml3.1發(fā)動機的效率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,以甲烷為燃料計算發(fā)動機的效率AH,=L[,.(CO2)+2 C(H2 0, g)某些物質的熱力學性質見表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,反應式為:10r2)2x(30.00+10.71×103T+0.33×118遼寧大學學報自然科學版011年10572)+7.52×(27.87+427×10-7)]時,發(fā)動機的工作效率為40.63%這一數(shù)值與實dr|J·mod-1=["(313.72+62.570×10T際情況較為接近但高于實際效率原因有以下幾個方面:(1)燃料燃燒不完全,(2)發(fā)動機在工作019×1057-2)dr]J=237.138x103J時不可能是絕熱的,(3)運動件的摩擦消耗功,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+可能正好是化學反應的理論比等237.138)kJ·mol-=-565.182kJ·moll另外,發(fā)動機的最大效率是人們關注的另一甲烷在空氣中燃燒后體系為藍色,藍色的波個問題.從本文的計算來看當發(fā)動機排氣時的溫長范圍為450-500m0,取λ=500m予以計度為常溫298K時,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,空氣進人量恰W:=325.982kJ·mol-1好符合化學反應的方程式,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,將不同排氣溫度時的熱機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際熱機效率與多方面因素動機若排氣溫度為90K則其能量利用率最高有關本文從化學熱力學的角度對熱機效率進行為40.63%,該計算值與實際的利用率較為接近了理論探討,為熱機效率提供了一個新的分析角3.2天然氣發(fā)動機的最高效率表2不同排氣溫度時的熱機效率若要提高發(fā)動機的工作效率,可通過降低產(chǎn)物溫度實現(xiàn)產(chǎn)物溫度越低,熱機工作效率越高排氣溫度波長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)動機CH4+202+7.52N40,63%排氣時的溫度為298K根據(jù)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學報效率的條件是甲烷完全燃燒,空氣進入量恰好符自然科學版,2002,29(3):266-271[3]高志崇.甲烷燃燒反應的火焰溫度[門山西大學合化學反應的方程式,且產(chǎn)物的溫度達到常溫學報,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]遼寧大學學報自然科學版2008,35(2)143-146.本文以天然氣發(fā)動機為例說明了發(fā)動機的[5]廖雨郊,物理化學[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1994:557-584反應的比例完全燃燒,且排氣時的溫度為970K【6]金世勛物理化學[M].北京:高等教育出版社,第2期高志崇天然氣發(fā)動機的熱效率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)