Ch-ơng III. Môi chất công tác

Chơng III Môi chất công tác Môi chất công tác l chất trung gian để thực chu trình công tác, bao gồm chất ô xy hoá nh không khí ô-xy (trong trờng hợp đặc biệt), nhiên liệu v sản vật cháy Trong chu trình công tác, môi chất công thay đổi th nh phần v tính chất lý hoá Trong trình nạp, môi chất nạp v o xy lanh l không khí động diesel; l hỗn hợp không khí với nhiên liệu động xăng v động gas, đợc gọi l khí nạp Trong trình nén, môi chất công tác l hỗn hợp bao gồm khí nạp v khí sót, hỗn hợp đợc gọi l hỗn hợp công tác Trong trình gi n nở v trình thải, môi chất công tác l sản vật cháy 3.1 Nhiên liệu Nhiên liệu l th nh phần quan trọng môi chất công tác, có ảnh hởng định đến kết cấu nh tiêu kinh tế kỹ thuật động Động đốt thông thờng sử dụng chủ yếu nhiên liệu khí v nhiên liệu lỏng 3.1.1 Nhiên liệu khí Nhiên liệu khí bao gồm khí thiên nhiên nh khí từ mỏ dầu mỏ khí đốt; khí công nghiệp nh khí chng cất dầu mỏ, luyện than cốc; khí lò ga khí hoá nhiên liệu rắn nh gỗ, than; khí sinh vật (biogas) Bất kỳ loại nhiên liệu khí n o l hỗn hợp học khí cháy v khí trơ với điều kiện bỏ qua th nh phần tạp chất Một cách tổng quát coi cấu trúc phân tử khí cháy bao gồm các-bon, hy-drô v ô-xy l C mHnOr Vì vậy, đơn vị nhiên liệu khí (ví dụ nh kg, kmol hay m3 tiêu chuẩn ) ta có: CmHnOr + N2 = (3-1) Dựa v o nhiệt trị Q (kJ/m3tc) ngời ta phân nhiên liệu khí th nh ba loại sau: Nhiệt trị cao: Q = 23 28 (kJ/m3tc) ví dụ nh khí thiên nhiên, khí phụ phẩm chng cất dầu mỏ Nhiệt trị trung bình: Q = 16 23 (kJ/m3tc) nh khí lò luyện than cốc Nhiệt trị thấp: Q = 16 (kJ/m3tc) nh khí lò ga v khí sinh vật Động chạy nhiên liệu khí nh khí thiên nhiên nén CNG (Compressed Natural Gas) hay khí hoá lỏng LPG (Liquidfied Petroleum Gas) có u điểm l ô nhiễm môi trờng v tiết kiệm giá khí đốt rẻ so với xăng Nhiều h ng taxi Việt Nam đ v chuyển đổi xe chạy xăng sang chạy xăng v khí đốt Tuy nhiên, giới hạn giáo trình nên không xét động nhiên liệu khí 3.1.2 Nhiên liệu lỏng 3.1.2.1 Th nh phần nhiên liệu lỏng Phần lớn động đốt sử dụng nhiên liệu lỏng Nhiên liệu lỏng có nhiều loại nhng theo nguồn gốc chia th nh hai loại Loại thứ có gốc hoá thạch nh xăng, dầu hoả, diesel Loại thứ hai có nguồn gốc thực vật nh mê-tha-nôl, ê-tha-nôl, dầu thực vật nh dầu dừa, dầu hạt cải Đa số động nhiên liệu lỏng dùng nhiên http://www.ebook.edu.vn 19 liệu gốc hoá thạch nh xăng v diesel Chính v mặt khác hạn chế khuôn khổ giáo trình nên sau ta xét hai loại nhiên liệu lỏng l xăng v diesel Trong trình chng cất dầu mỏ, ngời ta thu đợc lần lợt xăng, dầu hoả, nhiên liệu diesel, dầu máy v nhựa đờng Về th nh phần, xăng v nhiên liệu diesel thực chất l hỗn hợp loại các-bua-hy-drô khác chia th nh nhóm sau Các-bua-hy-drô béo: bao gồm pa-ra-phin gọi l an-kan có công thức hoá học l CnH2n + 2; ô-lê-phin CnH2n v a-xê-ty-len CnH2n - Trong đó, ô-lê-phin v a-xê-ty-len l cac-bua-hy-drô không no thờng không chứa dầu thô nhng xuất trình chng cất Trong nhóm n y, pa-ra-phin l th nh phần đóng vai trò chủ yếu Pa-ra-phin (an-kan) l các-bua-hy-drô no có hai dạng l an-kan thờng v đồng vị gọi l i-sô-an-kan An-kan thờng có mạch thẳng hở, ví dụ nh xê-tan C 16H34, hình 31 H H H H H H H H H H H H H H H H H C C C C C C C C C C C C C C C C H H H H H H H H H H H H H H H H H Hình 3-1 Cấu trúc phân tử xê-tan C16H34 Đặc điểm chung an-kan thờng l có tính ổn định hoá học nhiệt độ cao kém, dễ d ng tham gia phản ứng với ô-xy tạo nên trình tự cháy Vì vậy, nhiên liệu diesel c ng có nhiều an-kan thờng có tính tự cháy c ng cao (xem mục 3.1.3) H H CH3 H CH3 H C C C C C H CH3 H CH3 H H Hình 3-2 Cấu trúc phân tử An-kan đồng vị có mạch nhánh nên cấu trúc i-sô-ốc-tan C8H18 phân tử bền vững, có tính ổn định hoá học cao, khó tự cháy hay nói cách khác khó bị kích nổ (xem dới đây) Ví dụ điển hình an-kan đồng vị l i-sô-ốc-tan C8H18, hình 3-2 Nếu xăng có nhiều th nh phần an-kan đồng vị tính chống kích nổ c ng cao H H H C H H C C H H C H H C C H H C C H Hình 3-3 Cấu trúc phân tử xy-clô-pen-tan C5H10 http://www.ebook.edu.vn H C C C H H C H H H Hình 3-4 Cấu trúc phân tử mê-tyl-ben-zen C6H5CH3 20 Náp-ten: CnH2n gọi l xy-clan có kết cấu phân tử mạch vòng, ví dụ xy-clôpen-tan C5H10, hình 3-3 Náp-ten có kết cấu phân tử bền vững nên có tính chống kích nổ cao Các-bua-hy-drô thơm: CnH2n - có cấu trúc phân tử mạch vòng với nhân ben-zen nên bền vững, chống kích nổ tốt, ví dụ mê-tyl-ben-zen C6H5CH3, hình 3-4 Nếu bỏ qua th nh phần tạp chất, nhiên liệu lỏng nói chung kể xăng v diesel bao gồm các-bon, hy-drô v ô-xy Do công thức cấu tạo tính cho đơn vị đo lờng (ví dụ nh kg, kmol ) nh sau: C+O+H=1 (3-2) Ví dụ, nhiên liệu diesel D1 v D2 theo TCVN 5689-92 có C = 0,84 0,88; H = 0,10 0,14; phần lại l O Trong xăng v nhiên liệu diesel có tới 80 đến 90% l an-kan v xy-clan Tỷ lệ loại các-bua-hy-drô nêu phụ thuộc v o loại nhiên liệu cụ thể v định tính chất lý hoá nhiên liệu Dới trình b y số thông số lý hoá nhiên liệu lỏng 3.1.2.2 Tính chất vật lý nhiên liệu lỏng a Khối lợng riêng Thông thờng, khối lợng riêng nhiên liệu đợc cho nhiệt độ 20oC Căn v o khối lợng riêng sơ biết đợc khả bay nhiên liệu Đối với nhiên liệu nhẹ, dễ bay nh xăng, = 0,65 0,8 g/cm3 Còn nhiên liệu nặng, khó bay nh nhiên liệu diesel, = 0,80 0,95 g/cm3 b Độ nhớt Độ nhớt nhiên liệu thờng đợc cho 20 oC v hai dạng: Tỷ lệ bay - Độ nhớt động học: (m2/s v cm2/s tức St - Stốc) Đối với xăng, = 0,6 2,5 cSt (cSt- xăng ti Stốc 0,01 100 St) Còn nhiên liệu diesel có 1234 (%) = 2,5 8,5 cSt - Độ nhớt tơng đối: l tỷ số thời gian chảy 200ml nhiên liệu v 200ml nớc cất 20oC qua lỗ đo thiết bị đo độ nhớt Độ nhớt tơng đối có tên gọi l độ nhớt Engle ký hiệu l Et v thiết bị đo gọi l Engle kế Nếu độ nhớt tơng đối lớn 5o Et phải hâm nóng nhiên liệu trớc sử dụng Khối lợng riêng v độ nhớt l hai thông số ảnh hởng định đến đặc tính cháy nhiên liệu http://www.ebook.edu.vn 80 60 40 20 100 200 300 t (0C) Hình 3-5 Đờng cong chng cất nhiên liệu Xăng, Dầu hoả, Diesel, Dầu mỏ 21 c Tính bốc Tính bốc nhiên liệu định tính chất v thời gian trình hình th nh hỗn hợp Tính bốc phụ thuộc th nh phần nhiên liệu v đợc thể thông qua đờng cong chng cất, hình 3-5 d Nhiệt độ bén lửa Nhiệt độ bén lửa l nhiệt độ thấp m hỗn hợp nhiên liệu- không khí với tỷ lệ định bén lửa từ nguồn lửa bên ngo i Nhiệt độ bén lửa tỷ lệ với th nh phần chng cất nhẹ nhiên liệu v đợc dùng l m tiêu phòng hoả bảo quản Trong thực tế, nhiệt độ bén lửa không đợc thấp 650C e Nhiệt độ tự cháy Nhiệt độ tự cháy l nhiệt độ thấp m hỗn hợp nhiên liệu- không khí (với tỷ lệ định) tự bốc cháy (không cần nguồn lửa từ bên ngo i) Nhiệt độ tự cháy thờng tỷ lệ nghịch với khối lợng riêng Pa-ra-phin có nhiệt độ tự cháy thấp các-bua-hydrô thơm có nhiệt độ tự cháy cao f Nhiệt độ đông đặc Nhiệt độ đông đặc có ý nghĩa nhiên liệu nặng nh nhiên liệu diesel Nếu nhiệt độ đông đặc cao phải hâm nóng trớc sử dụng Ngời ta thờng sử dụng phụ gia để giảm nhiệt độ đông đặc Đối với nhiên liệu diesel, nhiệt độ đông đặc nằm khoảng -60 +5OC g Tạp chất học Đối với nhiên liệu thông thờng, tạp chất học không đợc vợt 1% trọng lợng Còn nhiên liệu cho động cao tốc không cho phép có tạp chất học?? h Th nh phần nớc L loại tạp chất nhiên liệu, nớc gây ăn mòn học v hoá học chi tiết hệ thống nhiên liệu, l bơm cao áp, vòi phun động diesel Ngo i ra, trình cháy nớc bay thu nhiệt l m giảm nhiệt trị nhiên liệu Vì giới hạn nớc nhiên liệu đợc qui định không 1% trọng lợng nhiên liệu động tốc độ thấp Trong thực tế, động sử dụng nhiên liệu diesel nặng thờng trang bị hệ thống hâm nóng kết hợp tách nớc v tạp chất học Còn nhiên liệu cho động cao tốc không cho phép có nớc 3.1.2.2 Tính chất hoá học nhiên liệu lỏng a Nhiệt trị Nhiệt trị l nhiệt lợng thu đợc đốt cháy ho n to n đơn vị đo lờng nhiên liệu Trong tính toán, ngời ta phân biệt hai loại nhiệt trị l nhiệt trị cao v nhiệt trị thấp Nhiệt trị cao Qo l to n nhiệt lợng thu đợc, nhiệt trị thấp QH l nhiệt lợng thu đợc Qo trừ phần nhiệt lợng toả ngng tụ nớc sản phẩm cháy Trong tính toán thờng sử dụng nhiệt trị thấp QH nhiệt độ khí thải thờng lớn nhiều so với nhiệt độ ngng tụ nớc áp suất Nhiệt trị thờng cho t i liệu nhiên liệu Đối với nhiên liệu xăng v diesel, tính toán lấy Q H = 42,5 MJ/kg http://www.ebook.edu.vn 22 b Tính kết cốc Tính kết cốc phản ánh khuynh hớng kết muội than đốt cháy nhiên liệu Muội than gây nên m i mòn v bó kẹt xéc-măng- xy-lanh, xu-páp v đế l m kẹt tắc vòi phun H m lợng cốc nhiên liệu cho phép không vợt 0,03 0,1% cho động cao tốc v không 4% động tốc độ thấp c Th nh phần lu huỳnh v tạp chất Lu huỳnh có nhiên liệu dạng tạp chất lại chng cất dầu mỏ Lu huỳnh cháy tạo th nh SO2 kết hợp với nớc (cũng tạo th nh cháy nhiên liệu) tạo th nh a-xít yếu H2SO3 gây ăn mòn chi tiết v ma a-xít Hiện tại, nớc châu Âu giới hạn tạp chất lu huỳnh xăng không 0,1% trọng lợng v tơng lai gần không 0,01%, nhiên liệu diesel không 0,15% Hiện nay, nớc ta dùng nhiên liệu diesel có tới 1% lu huỳnh d Độ a-xít Độ a-xít nhiên liệu đợc biểu thị số mg hy-drô-xyt ka-li KOH cần thiết để trung ho lợng a-xít có g nhiên liệu Độ a-xít c ng cao c ng gây mòn chi tiết nh xéc-măng- xy-lanh, xu-páp v đế xu-páp v l m tăng kết muội than Đối với nhiên liệu diesel, độ a-xít không đợc vợt 10mg KOH e Th nh phần tro Sản phẩm cháy chứa nhiều tro sinh m i mòn chi tiết buồng cháy Giới hạn nhiên liệu động tốc độ thấp l 0,08%, động cao tốc l 0,02% 3.1.3 Đánh giá tính tự cháy nhiên liệu diesel Trong số thông số vật lý có nhiệt độ tự cháy phần n o nói lên tính tự cháy nhiên liệu diesel Tuy nhiên, nhiệt độ tự cháy xác định nh cha nêu lên chất trình tự cháy động diesel, l trình cháy hỗn hợp nhiên liệukhông khí buồng cháy động tự cháy nén Vì thế, ngời ta sử dụng thông số đặc trng cho tính tự cháy nhiên liệu diesel sau a Tỷ số nén tới hạn th Tỷ số nén tới hạn th l tỷ số nén động có kết cấu đặc biệt (có thể thay đổi đợc tỷ số nén) dùng l m động thí H nghiệm, l m việc chế độ định v C có góc phun sớm 13o trớc điểm chết (ĐCT), hỗn hợp bốc cháy ĐCT Một loại động thí C nghiệm nh l động BASF (CHLB H Đức) Rõ r ng l th c ng nhỏ tính tự cháy nhiên liệu c ng cao b Số xê-tan Số xê-tan Xe nhiên liệu l phần http://www.ebook.edu.vn H H C C H C C H C C C C C H H H H Hình 3-6 -mê-tyl-naph-ta-lin 23 trăm thể tích xê-tan (C16H34 mạch thẳng) hỗn hợp với -mê-tyl-naph-ta-lin (C10H7CH3, hình 3-6), hỗn hợp n y có tỷ số nén tới hạn th giống nh th nhiên liệu Theo định nghĩa trên, xê-tan có Xe = 100, -mê-tyl-naph-ta-lin có số Xe = Nhiên liệu diesel dùng thực tế có Xe = 35 55 Số Xe c ng lớn tính tự cháy c ng cao c Chỉ số diesel Chỉ số diesel D l đại lợng qui ớc xác định phòng thí nghiệm theo công thức sau: D= 100 (141,5 131,5)(1,8A + 32) (3-3) Trong đó: - l trọng lợng riêng (g/cm3) nhiên liệu 15oC - A l điểm a-ni-lin nhiên liệu Đó l nhiệt độ ( oC) kết tủa hỗn hợp nhiên liệu cần thí nghiệm v a-ni-lin (C6H5NH2) có tỷ lệ 1:1 Nhiên liệu có D c ng lớn tính tự cháy c ng cao 3.1.4 Đánh giá tính chống kích nổ nhiên liệu xăng Tính chống kích nổ biểu thị khả giữ cho nhiên liệu không tự cháy trớc m ng lửa từ bu-gi lan tr n tới Chúng ta xét kỹ tợng kích nổ chơng Tính chống kích nổ l tiêu chất lợng xăng v đợc đánh giá thông qua thông số sau a Tỷ số nén có lợi Tỷ số nén có lợi cl l tỷ số nén lớn cho phép mặt kích nổ Tỷ số nén có lợi cl đợc xác định động đặc biệt (có thể thay đổi tỷ số nén) tơng tự nh tỷ số nén tới hạn th nhiên liệu diesel đ xét b Số ốc-tan Số ôc-tan O nhiên liệu l phần trăm thể tích i-sô-ốc-tan C 8H18 (mạch nhánh, hình 3-2) với hép-tan C7H16 (mạch thẳng), hỗn hợp n y có tỷ số nén có lợi với tỷ số nén có lợi nhiên liệu Theo định nghĩa trên, i-sô-ốc tan có O = 100 v hép-tan có O = Các loại xăng thông dụng có O = 80 100 Nhiên liệu cho động cờng hoá, ví dụ nh xe đua chẳng hạn, có O > 100 Hiện sử dụng loại xăng không chì (h m lợng chì khoáng nhỏ 0,013 g/l) MOGAS 90, 92 v 95 có số ốc-tan RON tơng ứng l 90, 92 v 95 (RON - Research Octane Number, phân biệt với MON - Motor Octane Number Thông thờng MON nhỏ RON 10 đơn vị) Đối với loại nhiên liệu cụ thể tính tự cháy c ng cao tính chống kích nổ c ng v ngợc lại Quan hệ n y đợc thể qua công thức kinh nghiệm sau đây: O = 120 - Xe http://www.ebook.edu.vn (3-4) 24 3.2 Phản ứng cháy nhiên liệu v sản vật cháy Quá trình cháy hỗn hợp nhiên liệu- không khí diễn buồng cháy bao gồm h ng loạt phản ứng hoá học với sản phẩm trung gian nối tiếp phức tạp Để đơn giản, xét phản ứng cháy các-bon v hy-drô nhiên liệu tạo sản phẩm cháy cuối cho hai trờng hợp l cháy ho n to n v cháy không ho n to n 3.2.1 Nhiên liệu cháy ho n to n 3.2.1.1 Phản ứng cháy v lợng không khí cần thiết để đốt cháy ho n to n kg nhiên liệu Các-bon v hy-drô nhiên liệu phản ứng cháy ho n to n với ô-xy theo phản ứng sau: C + O2 = CO2 (3-5) 2H2 + O2 = 2H2O (3-6) Để tính lợng không khí cần thiết đốt cháy ho n to n kg nhiên liệu (nl), ta sử dụng (3-5) v (3-6) cho hai trờng hợp l Lo (kg/kgnl) v Mo(kmol/kgnl) Lo Từ phơng trình (3-5) v (3-6), ta viết: 12 kg cac-bon + 32 kg ô-xy 44 kg cac-bon-nic (3-7) kg hy-drô + 32 kg ô-xy 36 kg nớc (3-8) Theo công thức (3-2), kg nhiên liệu có C kg các-bon, H kg hy-drô v O kg ô-xy Các quan hệ (3-7) v (3-8) tính cho C kg các-bon v H kg hy-drô có dạng: C kg cac-bon + C kg ô-xy 11 C kg cac-bon-nic H kg hy-drô + 8H kg ô-xy 9H kg nớc (3-9) (3-10) Lợng ô-xy cần thiết Oo để đốt cháy ho n to n kg nhiên liệu l tổng lợng ô-xy (3-9) v (3-10) trừ lợng ô-xy có sẵn nhiên liệu O Oo = C + 8H O (kg/kgnl) (3-11) Trong không khí coi ô-xy chiếm 23% khối lợng (mO2 = 0,23) Do lợng không khí cần thiết Lo để đốt cháy ho n to n kg nhiên liệu l : Lo = 18 Oo C + 8H O (kg/kgnl) = 0,23 mo2 (3-12) Mo Để tính Mo ta xuất phát từ phơng trình (3-5) v (3-6) 12 kg cac-bon + 1kmol ô-xy kmol cac-bon-nic (3-13) kg hy-drô + kmol ô-xy kmol nớc (3-14) http://www.ebook.edu.vn 25 Tơng tự tính cho C kg các-bon v H kg hy-drô: C C kg cac-bon + 12 H H kg hy-drô + kmol ô-xy C kmol ô-xy 12 H kmol cac-bon-nic kmol nớc (3-15) (3-16) Tơng tự nh trên, lợng ô-xy cần thiết M o để đốt cháy ho n to n kg nhiên liệu l tổng lợng ô-xy (3-15) v (3-16) trừ lợng ô-xy có sẵn nhiên liệu (lu ý phân tử lợng ô-xy l 32) Oo = C + 12 H O 32 (kmol/kgnl) (3-17) Th nh phần thể tích ô-xy không khí lấy 0,21 (r O2 = 0,21) Do lợng không khí cần thiết Mo để đốt cháy ho n to n kg nhiên liệu l : H 1C Oo O (kmol/kgnl) + = 32 0,21 12 rO Mo = (3-18) 3.2.1.2 Hệ số d lợng không khí Tỷ lệ lợng không khí thực tế nạp v o động v lợng không khí lý thuyết để đốt cháy ho n to n lợng nhiên liệu l đại lợng đặc trng cho mức độ đậm nhạt hỗn hợp nhiên liệu-không khí (từ gọi tắt l hỗn hợp) gọi l hệ số d lợng không khí = L Lo = M (3-19) Mo L v M l lợng không khí thực tế nạp v o động ứng với kg nhiên liệu L o v Mo l lợng không khí lý thuyết để đốt cháy ho n to n kg nhiên liệu đợc xác định theo (3-12) v (3-18) Với định nghĩa hệ số d lợng không khí nh ta nói: nhiên liệu cháy ho n to n tức l đủ v thừa không khí 1, nhiên liệu cháy không ho n to n tức l thiếu không khí < 3.2.1.3 Lợng khí nạp liệu Lợng khí nạp M1 l số kmol môi chất nạp v o động ứng với kg nhiên Đa số động xăng tạo hỗn hợp từ bên ngo i xy lanh động (trừ động phun xăng trực tiếp, xem chơng VII) nên khí nạp bao gồm không khí v nhiên liệu: M1 = M + nl = M o + nl (3-20) với nl l phân tử lợng xăng, lấy 114 kg/kmol Đối với động diesel, khí nạp có không khí nên: http://www.ebook.edu.vn 26 (3-21) M1 = M = M o 3.2.1.4 Sản vật cháy Sản vật cháy trình cháy ho n to n nhiên liệu bao gồm các-bon-nic CO 2, nớc H2O, ô-xy thừa O2 v ni-tơ N2 Một cách gần đúng, coi không khí bao gồm ô-xy v ni-tơ, th nh phần thể tích ni-tơ rN2 = 0,79 Xét cho kg nhiên liệu, ta có: C từ (3-15) M CO2 = từ (3-16) M H 2O = lợng ô-xy thừa MO2 = 0,21(M - Mo) = 0,21( - 1)Mo v lợng ni-tơ (trơ) MN2 = 0,79M = 0,79Mo 12 H (kmol/kgnl) (kmol/kgnl) Lợng sản vật cháy M2 l tổng th nh phần cấu th nh: M2 = M i = C H + + 0,21( 1)M o + 0,79M o 12 (3-22) C H = + + M o 0,21M o 12 Thay 0,21Mo từ (3-18) v o (3-22) v rút gọn ta đợc: M = M o + H O + 32 (3-23) 3.2.2 Nhiên liệu cháy không ho n to n Khi nhiên liệu cháy không ho n to n ( < 1) coi gần sản phẩm cháy gồm th nh phần sau: các-bon-níc CO2, mô-nô-xit-cac-bon CO, nớc H2O, hy-drô H2 v ni-tơ N2 Do cháy thiếu ô-xy, phần các-bon cháy tạo th nh CO v phần lại cháy tạo th nh CO Tơng tự, phần hy-drô cháy tạo th nh nớc, phần lại dạng khí hy-drô H2 Thí nghiệm phân tích khí thải động rằng, tỷ lệ th nh phần H v CO H phụ thuộc loại nhiên liệu (phụ thuộc tỷ lệ ) m không phụ thuộc v o nên đặt C số k: k= MH2 M CO Ví dụ, (3-24) = const H = 0,17 0,19 k = 0,45 0,5; C http://www.ebook.edu.vn H = 0,13 k = 0,3 C 27 Để tính toán th nh phần sản vật cháy, ta sử dụng thêm phơng trình phản ứng cháy không ho n to n cac-bon sau đây: (3-25) 2C + O2 = 2CO Gọi kC l tỷ lệ các-bon cháy tạo th nh CO Vậy lợng cac-bon (tính cho kg nl) cháy tạo th nh CO l kCC, phần lại (1- kC)C cháy tạo th nh CO2 Để tính MCO ta dựa v o (3-25) thiết lập quan hệ: 24 kg cac-bon + kmol ô-xy kmol mô-nô-xýt-các-bon (3-26) k CC k CC kmol ô-xy 24 12 (3-27) kCC kg các-bon + kmol mô-nô-xýt-các-bon Nh vậy: MCO = k CC 12 (kmol/kgnl) (3-28) Để tính MCO2 ta phải dựa v o (3-15) với ý thay C (1-kC)C, ta có: (1-kC)C kg các-bon + (1-kC) C 12 kmol ô-xy (1-kC) C 12 kmol cac-bon-nic (3-29) Nh C MCO2 = (1-kC) 12 (kmol/kgnl) (3-30) Gọi kH l tỷ lệ hy-drô không cháy v tồn dạng khí Lợng hy-drô không cháy l kHH (kg/kgnl) Với ý phân tử lợng hy-drô 2, ta có: MH2 = k HH (kmol/kgnl) (3-31) Phần hy-drô lại (1- kH)H (kg/kgnl) cháy tạo th nh H2O Để tính MH2O ta dựa v o (3-16) với ý thay H (1-kH)H: (1-kH)H kg hy-drô + (1 - k H )H kmol ô-xy (1 - k H )H kmol nớc (3-32) Nh vậy: MH2O = (1 - k H )H (kmol/kgnl) (3-33) Th nh phần ni-tơ: MN2 = 0,79M = 0,79Mo (3-34) Tổng sản vật cháy M2 l : M2 = = M i = M CO + M CO + M H + M H 2O + M N C H + + 0,79M o 12 http://www.ebook.edu.vn (3-35) 28 Để tính toán th nh phần cụ thể, không phụ thuộc v o tỷ lệ k C v kH ta thiết lập hệ phơng trình sau: Từ (3-28) v (3-30) ta đợc: C MCO2 + MCO = (3-36) 12 Từ (3-31) v (3-33) ta đợc: H MH2 + MH2O = (3-37) Các phơng trình (3-36), (3-37) với (3-24) ( k = MH2 = const ) tạo th nh M CO hệ phơng trình với ẩn số l MCO2, MCO, MH2, MH2O Để tìm th nh phần, ta phải thiết lập thêm phơng trình độc lập xuất phát từ điều kiện tổng lợng ô-xy cho phản ứng cháy tạo th nh CO2, CO v H2O tổng lợng ô-xy không khí v nhiên liệu cung cấp M CO2 + M CO2 + M O O = 0,21M o + H O 32 (3-38) Từ (3-29) ta viết: M CO2 = (1 k C ) C 12 (3-39) = M CO Tơng tự, từ (3-27) M CO2 = k CC 24 M CO = (3-40) v từ (3-32) ta có: M OH22O = (1 k H ) H = MH2O (3-41) Thay (3-39), (3-40) v (3-41) v o (3-38) ta đợc: M CO + M CO MH2 + = 0,21M o + 2 O 32 (3-42) Giải hệ phơng trình (3-24), (3-36), (3-37) v (3-42) ta đợc: M CO = 0,42 M CO = C 12 M H = 0,42k 1+k 0,42 1+k (3-43) MO 1+k MO http://www.ebook.edu.vn MO (3-44) (3-45) 29 MO 1+k H 0,42k M H 2O = (3-46) Kết thúc phần tính toán sản vật cháy cho hai trờng hợp cháy ho n to n v cháy không ho n to n cần lu ý số điểm sau Thứ nhất, phản ứng cháy đ đợc đơn giản hoá l phản ứng ô-xy hoá thông thờng v xét đến sản phẩm cuối cùng, không qua phản ứng trung gian theo lý thuyết động học phản ứng Ngo i ra, phản ứng ni-tơ với ô-xy điều kiện nhiệt độ cao không đợc xét đến Trong thực tế, khí thải động xăng v diesel chứa ô-xýt-ni-tơ NOx l th nh phần độc hại cần phải khống chế Vấn đề n y đợc khảo sát chuyên đề "Khí thải động v vấn đề ô nhiễm môi trờng" Thứ hai, phản ứng ô-xy hoá xảy giới hạn định hệ số d lợng không khí gọi l giới hạn cháy Giới hạn max l l giá trị m ngo i giới hạn n y hỗn hợp nhạt không cháy đợc Đối với nhiên liệu xăng max nằm khoảng 1,2 1,6 nhiên liệu diesel max đến 10 Giới hạn dới l giá trị m dới hỗn hợp đậm (quá thiếu ô-xy) nên cháy đợc Trong tính toán cháy không ho n to n ( < 1) ứng với trờng hợp động xăng, ngời ta coi l giá trị m to n cac-bon nhiên liệu cháy tạo th nh CO Nói khác, MCO2 = Từ (3-45): M CO = C 12 0,42 1+k (3-47) MO = ta rút ra: = C1+k 12 0,42M o (3-48) Ví dụ, với xăng có C = 0,855; H = 0,145 (O = 0) v k = 0,5 0,5 3.2.3 Thay đổi thể tích cháy Lợng sản phẩm cháy l M2 nói chung khác với lợng khí nạp M1 Do kết luận môi chất có thay đổi thể tích cháy Sau ta xét cách cụ thể 3.2.3.1 Lợng biến đổi phân tử M = M2 - M1 a Cháy ho n to n ( 1) Xét hai trờng hợp: Xăng M2 tính theo (3-23) M1 theo (3-20) M M1 = M o + http://www.ebook.edu.vn H + O 32 Mo nl 30 H O + 32 M = (3-49) nl Diesel M2 tính theo (3-23) M1 theo (3-21) H M = O + (3-50) 32 b Cháy không ho n to n (min < < 1) Trờng hợp n y có động xăng động diesel lớn (xem phần trình cháy, mục 4.3) M2 tính theo (3-35) M1 theo (3-20) C M = 12 = H + C H + 0,21M o 12 Ta thêm v o v bớt C M = 12 = H + + 0,79M o M o O 32 nl biến đổi: 0,21M o nl O + nl 32 C H O H + + 0,21M o + 12 32 O 32 O 32 nl Từ (3-18) ta có: C 12 + H O 32 = 0,21M o Vậy cuối ta có: M = 0,21M o 0,21M o + H = 0,21(1 )M o + + H O 32 O + 32 nl (3-51) nl 3.2.3.2 Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết Ngời ta định nghĩa hệ số biến đổi phân tử lý thuyết đặc trng cho mức độ thay đổi thể tích tơng đối cháy nh sau: o = M2 M1 = M1 + M M1 =1+ M M1 (3-52) Để tính o ta phân biệt trờng hợp cụ thể a Xăng Đối với xăng, ta phân biệt hai trờng hợp sau: http://www.ebook.edu.vn 31 Cháy ho n to n ( 1) M tính theo (3-49) M1 theo (3-21) o = + H O + 32 M o + nl (3-53) nl Cháy không ho n to n (min < < 1) M tính theo (3-51) M1 theo (3-21) o = + H 0,21(1 )M o + + M o + O 32 nl (3-54) nl b Diesel M lấy từ (3-50) M1 theo (3-21): H O + 32 o = + M o (3-55) 3.2.3.3 Hệ số biến đổi phân tử thực tế Thực tế động trớc v sau trình cháy có lợng khí sót M r th nh phần môi chất công tác Vì vậy, để tính đến thay đổi thể tích diễn động có kể đến vai trò khí sót ngời ta định nghĩa hệ số biến đổi phân tử thực tế nh sau: = M2 + Mr M1 + M r (3-56) Chia tử v mẫu số (3-56) cho M1 v gọi: r = Mr (3-57) M1 l hệ số khí sót, ta đợc: = o + r + r (3-58) Trong trình cháy, tính đến thời điểm tỷ lệ nhiên liệu cháy cháy hết l x (-) hệ số biến đổi phân tử lúc đợc gọi l hệ số biến đổi phân tử tức thời x Giả thiết gần rằng, lợng biến đổi phân tử tức thời tỷ lệ với lợng nhiên liệu đ cháy, ta viết: http://www.ebook.edu.vn 32 x = M + M r + x M M1 + M r =1+ x ( M M1) M1 + M r = + xo + r (3-59) Sau tính toán thay đổi phân tử trình cháy, ta rút số nhận xét sau đây: M > v o , , x > kết luận cháy thể tích tăng dẫn tới có lợi công Khi cháy ho n to n ( 1) M phụ thuộc v o th nh phần nhiên liệu (C, H, O) Còn cháy không ho n to n (min < < 1) M phụ thuộc th nh phần nhiên liệu m phụ thuộc 3.3 Tỷ nhiệt môi chất công tác Tỷ nhiệt môi chất l thông số vật lý cần thiết tính toán nhiệt động Vấn đề n y đ đợc đề cập kỹ lỡng giáo trình vật lý nhiệt kỹ thuật Sau nhắc lại tóm tắt ý cần thiết cho việc tính toán chu trình công tác thực tế động 3.3.1 Tỷ nhiệt phụ thuộc nhiệt độ Tỷ nhiệt môi chất nói chung phụ thuộc v o nhiệt độ Một cách gần coi l quan hệ tuyến tính: (3-60) CvT = a v + bT với CvT l tỷ nhiệt đẳng tích kmol (kJ/kmol.K), Ti (K) l nhiệt độ tuyệt đối môi chất, av v b l số thực nghiệm Ví dụ, không khí, N2, O2, CO l khí có hai nguyên tử sử dụng công thức: CvT = 19,806 + 0,00419T (kJ/kmol.K) (3-61) Trong tính toán ngời ta thờng sử dụng giá trị tỷ nhiệt trung bình khoảng từ đến nhiệt độ T (K) khảo sát: CvT = a v + b T (kJ/kmol.K) (3-62) Tỷ nhiệt đẳng áp trung bình đợc xác định theo công thức sau: CpT = CvT + 8,314 (kJ/kmol.K) (3-63) 3.3.2 Tỷ nhiệt khí nạp Khí nạp động diesel l không khí khí nạp phần lớn động xăng l hỗn hợp xăng-không khí Nói chung tỷ lệ nhiên liệu hỗn hợp nhỏ nên bỏ qua tính toán tỷ nhiệt Vì coi tỷ nhiệt khí nạp nói chung cho hai loại động l tỷ nhiệt không khí tính toán theo công thức (3-61) 3.3.3 Tỷ nhiệt sản vật cháy http://www.ebook.edu.vn 33 Sản vật cháy l hỗn hợp khí phức tạp Khi tính toán sử dụng công thức kinh nghiệm sau: CvT = 19,867 + 1,634 + 427,38 + 184,36 10 T (kJ/kmol.K) (3-64) 0,7 < CvT = (17,997 + 3,504) + (360,34 + 251,4)10 T (kJ/kmol.K) (3-65) 3.3.4 Tỷ nhiệt hỗn hợp công tác Trong trình nén, hỗn hợp công tác gồm khí nạp v khí sót Tỷ nhiệt đẳng tích hỗn hợp công tác đợc tính toán theo công thức sau: n CvT = rC i (3-66) vTi i =1 Trong trờng hợp n y n = 2, ta có: CvT = M1 M1 + M r CvT + Mr M1 + M r CvT = M1CvT + M rCvT M1 + M r = CvT + rCvT + r (3-67) Sau thay CvT v CvT v o (3-67) v rút gọn, ta lại đợc CvT có dạng tuyến tính nh (3-60): (3-68) CvT = av + bT Tỷ nhiệt đẳng tích trung bình hỗn hợp CvT đợc xác định theo (3-62): CvT = av + b (3-69) T Tỷ nhiệt đẳng áp trung bình hỗn hợp CpT đợc xác định theo (3-63): CpT = av + b T + 8,314 = az + b T (3-70) với: az = av + 8,314 (3-71) Chú ý: C z, công thức thầy Phú http://www.ebook.edu.vn 34