Уравнение реакции горения бензина с воздухом

Рабочие тела и их свойства

Изучаемые вопросы:

Топлива, применяемые в автомобильных двигателях. Понятие о рабочем теле и его свойствах

В качестве топлив для двигателей с принудительным зажиганием используется жидкий продукт, получаемый в результате переработки сырой нефти, – бензин и горючие газы, основную часть которых составляют углеводороды.

Легкая фракция нефти, выкипающая до 205 ○ С, используется для производства топлив, называемых бензинами. Более тяжелые фракции с пределами выкипания до 350 ○ С служат основой для производства дизельных топлив. Фракционный состав топлива показывает процентное (по объему) содержание углеводородов, выкипающих до той или иной температуры. Различие во фракционном составе бензинов и дизельных топлив определило различие и в устройствах для образования горючей смеси, состоящей из воздуха (окислителя) и паров топлива, и способах воспламенения. Топливо и воздух в зависимости от физических свойств топлива вводятся в цилиндр двигателя совместно (бензиновый двигатель) или раздельно (дизель).

В двигателях с внешним смесеобразованием топливо, подаваемое вместе с воздухом через впускной клапан, должно легко испаряться и образовывать гомогенную смесь с поступающим воздухом.

Необходимо, чтобы топливо:

– обеспечивало быстрый и надежный пуск независимо от температуры наружного воздуха;

– позволяло осуществлять процесс сгорания без образования нагара и кокса на поверхности КС;

– способствовало уменьшению износов цилиндропоршневой группы (ЦПГ);

– обеспечивало полное сгорание и снижение токсических составляющих.

Химические реакции сгорания бензинов

Как известно, жидкое топливо, применяющееся в ДВС, обычно состоит из углерода С, водорода Н и кислорода О. Кроме того, в топливе содержится незначительное количество серы, азота и других веществ, которыми в расчете можно пренебречь.

Если элементарный состав можно охарактеризовать весовыми долями, то

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания топлива такого состава:

кмоль/кг топл (4)

. (5)

Ни в карбюраторном, ни в газовом, ни в дизельном двигателе невозможно получить такую идеальную смесь топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, при котором каждая частичка топлива нашла бы нужное для ее полного сгорания количество кислорода.

В бензиновых двигателях на некоторых режимах отношение , а в дизельных — , где отношение a носит название коэффициента избытка воздуха для сгорания. В бензиновых двигателях с воспламенением однородной смеси и полностью открытой дроссельной заслонкой наибольшая экономичность и устойчивость протекания рабочего процесса достигается при a = 1,1…1,3.

Максимальная мощность этих двигателей обеспечивается при некотором обогащении смеси (a= 0,85…0,9). Устойчивая работа на малых нагрузках и ХХ (холостых ходах) требует большого обогащения смеси. При a 1

Жидкое топливо

Горючая смесь до начала сгорания в карбюраторных двигателях состоит из молекул воздуха и испарившегося топлива, поэтому, если через m_m обозначить молекулярный вес паров топлива, то количество кг/моль горючей смеси на 1 кг топлива выразится величиной

M₁ = aL_o + кмоль/кг топл. (6)

В газовых двигателях горючая смесь состоит из топлива и воздуха

При полном сгорании топлива продукты сгорания состоят: из СО₂ (углекислый газ), Н₂О (водяной пар), О₂ (избыточный кислород), N₂(азот).

Видео:Горение топлива и выделение энергии. 8 класс.Скачать

Каталог статей

Вычисления по химическим формулам и химическим уравнениям.

** Сделайте немного более сложный, но и более интересный расчет. Результат его окажется для вас неожиданным. Знаете ли вы, что обычный автомобиль потребляет кислорода в несколько раз больше, чем бензина? Причем не по объему (это бы нас не удивило), а по весу!

Давайте проверим. Молекулярная формула наиболее качественного бензина – С₈Н₁₈. Обычный бензин представляет собой смесь нескольких соединений, но мы специально возьмем самый хороший (образцовый) бензин, состоящий только из С₈Н₁₈. В двигателе внутреннего сгорания бензин реагирует с кислородом воздуха О₂. При этом выделяются углекислый газ, вода и большое количество тепловой энергии, которую двигатель преобразует в механическую.

Уравнение сгорания бензина выглядит так:

Обратите внимание: для сгорания 2 молекул бензина требуется 25 молекул кислорода! Конечно, молекула бензина тяжелее, но зато более легких молекул кислорода требуется очень много!

Бак легкового автомобиля обычно вмещает 40 л бензина Плотность бензина 0,7 кг/л. Следовательно, в полном баке находится 28 кг бензина. Попробуйте самостоятельно посчитать, сколько КИЛОГРАММОВ кислорода «съедает” автомобиль от заправки до заправки.

Результат будет таким: 98244 г или более 98 кг кислорода!

Кислород занимает в атмосфере примерно пятую часть, поэтому уничтожение такого его количества делает совершенно непригодным для дыхания примерно 350 кубических метров воздуха. Но этого мало: автомобиль выбросил в атмосферу значительное количество также непригодного для дыхания диоксида углерода СО₂.

Итак, ответ получился неожиданным, как мы и обещали: 98 кг «съеденного” автомобилем кислорода — это по весу в 3,5 раза больше израсходованного бензина (28 кг)! Надо учесть, что мощные грузовики и тяжелые автобусы расходуют кислорода гораздо больше уже потому, что тратят больше бензина на каждый километр пути.

Ежедневно на дороги выезжают миллионы автомобилей только в нашей стране. А сколько поднимается в небо самолетов, сколько огромных судовых двигателей на морях и реках не останавливается ни днем, ни ночью?

Запасы свободного кислорода на нашей планете возобновляются только зелеными растениями – водорослями, деревьями, кустарниками, травами. Невольно проникаешься уважением к этим живым лабораториям, которые ежедневно трудятся для того, чтобы не дать людям и животным задохнуться от недостатка кислорода.

Люди не собираются отказываться от удобств, связанных с бензиновыми двигателями, но в качестве платы за этот комфорт необходимо, по крайней мере, беречь растения, делиться с ними местом в той среде обитания, которую мы вместе занимаем.

Видео:Уравнивание реакций горения углеводородовСкачать

Основы теплотехники

Видео:Составление уравнений реакций горения. 11 класс.Скачать

Топливо и его горение

Топливом называют горючие вещества, применяемые для получения теплоты (тепловой энергии) при их сжигании. Под сжиганием обычно подразумевают окисление горючих веществ кислородом воздуха.
Промышленным топливом считаются не все горючие вещества, а лишь те, которые удовлетворяют следующим требованиям:

• при сгорании выделяют достаточно большое количество теплоты;
• не дают продуктов сгорания, губительно действующих на окружающий растительный и животный мир;
• встречаются в больших количествах в природе или легко получаются при переработке других веществ;
• легко добываются и транспортируются на большие расстояния;
• быстро воспламеняются.

Топливо, добываемое из недр земли в готовом виде, называют естественным , а получаемое путем переработки горючих веществ и природного топлива – искусственным . Как естественное, так и искусственное топливо подразделяют на твердое, жидкое и газообразное.

В качестве примера естественных твердых топлив можно привести ископаемый уголь, торф, горючие сланцы, дрова, отходы сельскохозяйственного производства. Искусственное твердое топливо – кокс, полукокс, пылевидное топливо, брикеты, древесный уголь.
К естественному жидкому топливу относится нефть, а к искусственному – получаемые из нефти продукты – бензин, керосин, дизельное топливо, газойль, мазут, нефтяное и котельное топливо.

По назначению топливо подразделяют на энергетическое и технологическое .
К энергетическим относят все низкосортные топлива, которые можно сжигать на электростанциях, в производственно-бытовых и других тепловых установках в натуральном виде или после переработки. Это антрацит, бурые угли, торф, природный газ, а также продукты переработки других топлив.
К технологическому топливу относят высокосортное топливо и коксующиеся угли.

По методу добычи и потребления различают местное и привозное топливо.

Составные части топлива

Топливо состоит из органической и минеральной частей.
Органическую часть топлива составляют следующие химические элементы: углерод (С), водород (Н₂), кислород (О₂), азот (N₂) и сера (S). Топливо может состоять из смеси этих элементов или только их части.
Так, органическую массу кокса или древесного угля в основном составляет углерод, а нефтепродуктов и газового топлива – углерод, водород и кислород.

Наиболее ценные из перечисленных элементов топлива – углерод и водород.
Кислород и азот являются внутренним балластом топлива, поскольку они не горят. Сера является нежелательным компонентом топлива, несмотря на то, что сгорая, она выделяет теплоту. При сгорании этого элемента образуется сернистый газ и серная кислота, пагубно влияющие на экологию и вызывающие сильную коррозию металлов.

Минеральная часть топлива составляют вода и минеральные примеси, которые являются внешней балластной частью (внешним балластом) топлива. Содержание балластной части в топливе очень нежелательно, поскольку увеличивая массу и объем топлива, она уменьшает его тепловую ценность.
Минеральные составляющие после сжигания образуют твердый остаток – золу.

Сущность процесса горения

Горение есть окисление горючих элементов топлива кислородом, сопровождающееся выделением теплоты.
В зависимости от скорости распространения пламени различают нормальное горение и горение со взрывом . При нормальном горении скорость распространения пламени равна 15-25 м/с, а при взрывном горении – 2000-3000 м/с. Чтобы топливо начало гореть, его необходимо нагреть до определенной температуры, называемой температурой воспламенения .
Так, например, каменный уголь воспламеняется при температуре 225-375 ˚С, сухой торф – 225-300 ˚С, дрова – 350-450 ˚С, керосин – 380 ˚С, бензин – 415 ˚С, метан (СН₄) – 650-700 ˚С и т. д.

При нагревании топлива до температуры воспламенения начинается распад горючей массы на составные элементы, которые затем окисляются кислородом и выделяют теплоту. Эта теплота способствует нагреву массы близлежащего топлива, в которых начинают протекать аналогичные процессы (распад и окисление) , и, таким образом, вся масса топлива, находящегося в топке, начинает гореть.
Для того, чтобы процесс горения не прекратился, выделяющаяся теплота должна поддерживать температуру топлива не ниже температуры воспламенения.

Горение может быть полным и неполным.
Полным горением называют процесс окисления горючих элементов топлива кислородом, при котором выделяются продукты, не способные гореть в дальнейшем.
Неполное сгорание топлива сопровождается выделением продуктов горения, которые в дальнейшем могут воспламеняться и сгорать повторно. Так, при полном сгорании углерода выделяется углекислый газ СО₂, который в дальнейшем гореть не способен.

Однако, если углерод сгорает при недостаточном количестве кислорода, то продуктом его окисления является углекислота СО, которая может загореться при соответствующих условиях. При этом неполное горение сопровождается выделением значительно меньшего количества теплоты, т. е. считается нежелательным явлением. Для того чтобы процесс горения был полным, необходимо обеспечить подачу достаточного количества воздуха (содержащего кислород) в зону горения.
На практике, сжигая топливо, стараются придерживаться определенного баланса между количеством воздуха и топлива, поскольку избыток воздуха сопровождается потерями теплоты на его подогрев.

Количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива

Количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, определить несложно, если известно процентное содержание в топливе основных горючих элементов – углерода, водорода, серы и кислорода.
Так как атомная масса углерода 12, а кислорода – 16, то для получения углекислого газа СО₂ необходимо 12 частей углерода соединить с 32 частями кислорода, т. е. на одну массовую долю углерода должно приходиться 2,67 частей кислорода.
Зная атомную массу водорода и серы, а также формулы продуктов их полного окисления, можно аналогично рассчитать необходимое количество кислорода для сжигания 1 части любого горючего элемента.

При определении количества воздуха, необходимого для полного горения, следует учитывать, что в топливе тоже содержится некоторое количество кислорода, а также то, что массовая доля кислорода в воздухе — 23,2 %. В общем случае формула для определения массового количества воздуха для полного сгорания топлива имеет вид:

где: С_р , Н_р , S_р , О_р – соответственно массовое содержание углерода, водорода, серы и кислорода в топливе.

При сгорании топлива часть кислорода воздуха не успевает вступить в реакцию окисления, поэтому для обеспечения полного сгорания топлива следует к нему подводить воздух с некоторым избытком по сравнению с теоретически необходимым количеством. Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому количеству называют коэффициентом избытка воздуха . На практике этот коэффициент (в зависимости от вида топлива) может принимать значения от 1,05 (газообразное и пылевидное топливо) до 1,8 (твердое топливо) .

Теплота сгорания топлива

Важнейшая характеристика топлива – теплота его сгорания – количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы количества топлива (для жидких и твердых топлив – кг, для газообразных – м 3 ) . Различают высшую и низшую теплоту сгорания.
Высшей теплотой сгорания Q_в называют теплоту, выделяемую при полном сгорании единицы количества топлива, в результате которого образующаяся влага конденсируется и выделяется в виде жидкости из продуктов сгорания.
Если в результате сгорания единицы количества топлива образуемая влага остается в продуктах сгорания в парообразном состоянии, то выделяемую при этом теплоту называют низшей теплотой сгорания Q_н . Эта величина меньше высшей теплоты сгорания топлива на теплоту парообразования (конденсации) влаги, образуемой при сжигании единицы количества топлива.

Теплоту сгорания топлива, кДж/кг , можно определить опытным путем (при сжигании порции топлива в специальном приборе – калориметре) или расчетом (по формулам Менделеева) , если известен элементарный состав топлива.

Например, для твердого топлива:

Q_в = 339С + 1250Н – 108,85(О – S) ;

для жидкого топлива:

где: С , Н , О , S и W – соответственно процентное содержание углерода, водорода, кислорода, серы и влаги в рабочем топливе.

Условное топливо

При расчете расхода топлива, а также топливных ресурсов пользуются понятием условное топливо .
Это реальное топливо, теплота сгорания которого равна 29,3 МДж/кг.
Для перевода любого топлива в условное, пользуются тепловым эквивалентом, который получается от деления теплоты Q_рц сгорания данного топлива на теплоту сгорания условного топлива, т. е. на 29300 кДж/кг или 29,3 МДж/кг.
Так, например, для торфа Э_т = 8500/29300 = 0,29, т. е. 1 тонна торфа по своей тепловой ценности равноценна 0,29 тонны условного топлива.

Температура горения топлива

Следует различать теоретическую и действительную температуру горения.
Теоретической температурой горения называют максимальную температуру, которую способно давать данное топливо при полном сгорании с теоретически необходимым количеством воздуха. Ее определяют опытным путем, или аналитически, используя формулы, в которых учитывается массовая доля и теплотворная способность каждого горючего элемента в топливе. При этом теоретическая температура горения будет равна отношению теплоты, полученной от сгорания единицы топлива, к сумме произведений массовых составляющих горючих элементов на их теплотворную способность.
Теоретически определенная температура горения топлива всегда выше действительной, поскольку при расчетах не учитывается ее понижение из-за потерь теплоты на лучеиспускание, избыток воздуха при сжигании, неполное сгорание топлива и т. п.

Действительная температура горения (при коэффициенте избытка воздуха равном 1,0) : антрацита — 2270 ˚С, торфа – 1700 ˚С, мазута – 1125 ˚С, природного газа – 2000 ˚С.

Способы сжигания топлива

В котельной практике известны слоевой, факельный и вихревой способы сжигания топлива.

Слоевой способ сжигания топлива (рис. 1а) заключается в следующем. Загруженное в топку топливо распределяется ровным слоем по колосниковой решетке, через которую проходит воздух, встречающий на своем пути неподвижный или движущийся слой горящего топлива.
При взаимодействии с топливом воздух превращается в газовоздушный поток, который, пройдя через топочное пространство, выходит наружу. Для предотвращения уноса топлива необходимо, чтобы вес частичек топлива был больше силы газовоздушного потока. Однако, при слишком больших размерах кусков топлива замедляется процесс горения и уменьшается количество теплоты, получаемой в единицу времени, поэтому оптимальный размер кусков – 20-30 мм.

Основным достоинством слоевого способа сжигания твердого топлива является наличие на колосниках запаса горящего топлива, обеспечивающего устойчивость протекания процесса. Существенным недостатком этого способа является необходимость использования твердого топлива с оптимальными размерами кусков, что требует предварительной их сортировки и дробления.

Факельный способ сжигания топлива (рис. 1б) , в отличие от слоевого, заключается в том, что частицы топлива движутся вместе с газовоздушным потоком в топочном пространстве. Поэтому масса частиц должна быть как можно меньше, и они должны удерживаться в газовоздушном потоке.
Этим обеспечивается очень тщательное перемешивание частичек топлива с воздухом, интенсивное их горение, получается более однородный, устойчивый факел горения и происходит наиболее полное выгорание горючих элементов, составляющих горючую массу топлива. Поэтому при факельном способе применяют твердое топливо в виде очень мелких частичек (пыли) , размеры которых составляют доли миллиметра.

Существенный недостаток этого способа – малая скорость обтекания частиц топлива газовоздушным потоком, которая не позволяет значительно увеличить интенсивность горения, а также большая чувствительность к изменению режима работы, поскольку в топочном пространстве постоянно находится небольшое количество (запас) топлива. Поэтому регулирование процесса возможно при одновременном изменении подачи топлива и воздуха.

Вихревой способ сжигания топлива (рис. 1в) заключается в создании в топочном пространстве вихря, благодаря которому топливо, поступающее в топку, подхватывается газовоздушным потоком и движется вместе с ним по определенной траектории до полного выгорания горючих элементов из горючей массы.
Вихревое движение топлива в газовоздушном потоке способствует более длительному нахождению топлива в топочном пространстве, что создает условия для полного сгорания частиц размером 3-5 мм и для получения более устойчивого горения, чем при факельном способе сжигания.

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

📺 Видео

Как расставлять коэффициенты в уравнении реакции? Химия с нуля 7-8 класс | TutorOnlineСкачать

Реакции горенияСкачать

Горение. 7 класс.Скачать

Энергия топлива, удельная теплота сгорания топлива. 8 класс.Скачать

Урок 114 (осн). Удельная теплота сгорания топлива. КПД нагревателяСкачать

Составление уравнений химических реакций. 1 часть. 8 класс.Скачать

Энергия топлива, удельная теплота сгорания топлива. Практическая часть - решение задачи. 8 класс.Скачать

29. Общая реакция горения для всех углеводородов. Как расставить коэффициенты реакции легкоСкачать

Химия 46. Реакция горения. Флогистон — Академия занимательных наукСкачать

Теория и практика сжигания топливаСкачать

Энергия топлива Удельная теплота сгоранияСкачать

Химические уравнения // Как Составлять Уравнения Реакций // Химия 9 классСкачать

Химия. 8 класс. Горение топлива и выделение энергии /09.12.2020/Скачать

Занятие 14 | Реакции горения | Курс химии | 7 классСкачать

ВСЕ ПРО АЛКАНЫ за 8 минут: Химические Свойства и ПолучениеСкачать

Автотермия Андреева. Горение воздуха.Топливо вокруг нас.Скачать

Горение топлива и выделение энергии 8 классСкачать