Chương 3 môi chất công tác

CHƯƠNG MƠI CHẤT CƠNG TÁC 3.1 Định nghĩa mơi chất công tác 3.2 Nhiên liệu dùng cho động đốt 3.3 Phản ứng cháy sản vật cháy nhiên liệu 3.4 Tỉ nhiệt môi chất công tác Mục đích • Nghiên cứu loại nhiên liệu dùng cho động đốt phản ứng cháy nhiên liệu khơng khí, đồng thời qua tính lượng mơi chất có xilanh động • Nghiên cứu tỉ nhiệt môi chất công tác qua ta hiểu ảnh hưởng tỉ nhiệt đến công suất hiệu suất động 3.1 Định nghĩa: Môi chất công tác chất môi giới dùng để thực chu trình cơng tác thực tế động nhằm biến nhiệt thành Bao gồm: - Chất oxy hố thường khơng khí - Hơi nhiên liệu sản vật cháy nhiên liệu Trong q trình làm việc mơi chất ln ln thay đổi tính chất lý hố Q trình nạp, gồm: - Khí sót lại xylanh chu trình trước - Khơng khí (động Diesel) hỗn hợp khí (khơng khí+hơi xăng) Q trình nén: Là số mơi chất cơng tác cuối trình nạp Quá trình cháy: Hỗn hợp nhiên liệu khơng khí chuyển thành sản vật cháy 3.2 Nhiên liệu dùng cho động đốt u cầu:  Dễ hồ trộn với khơng khí  Phải cháy kiệt, sau cháy không để lại bụi, tro tro bám vào vách xylanh làm secmăng, piston, lót xylanh mòn nhanh  Nhiệt trị cao Nhiên liệu chủ yếu: - Thể lỏng: Tinh khiết, khơng chứa bụi tro - Thể khí: Tinh khiết - Thể rắn: Chỉ dùng sau biến thành nhiên liệu thể khí lỏng 3.2.1 Nhiên liệu thể khí: Khí thiên nhiên nhiên: Sản vật mỏ khí, khí mỏ dầu hoả mỏ ga khí khác Khí cơng nghiệp: nghiệp Lấy từ tinh luyện dầu mỏ CnH2n họ oxit cacbon carbuahydro chưa cháy, khí lò cao Khí lò ga: ga Khí lấy từ việc khí hố nhiên liệu thể rắn thiết bị đặc biệt lò ga 2C + O2 = 2CO Sản phẩm lấy là: N2 - O2 (H2) - C2H2 - (CH2) (CO) 3.2.1.1 Cấu tạo nhiên liệu khí: • Tuỳ theo trạng thái lý hố phương pháp chế tạo nhiên liệu, thể khí chia làm: Khí nén thành nước, khí nén khí lò ga • Bất nhiên liệu thể khí hỗn hợp học nhiều thứ khí cháy khí trơ khác • Thành phần chủ yếu: Oxit carbon (CO), Mêtan (CH4), loại Carbon hydro (CnHm), khí Carbonic (CO2), Oxy (O2), Hydro (H2), Sunfur Hydro (H2S) thứ khí trơ mà chủ yếu N2 Cơng thức hố học chung chất thành phần có nhiên liệu thể khí là: CnHmOr (n=  5, m = 012, r = 2) Nếu hàm lượng chất thành phần kmol nhiên liệu khí biểu thị theo % thể tích thành phần nhiên liệu khí xác định: Kmol = CnHmOr + N2 (1 m3 tiêu chuẩn) 3.2.1.2 Phân loại: • • • Nhiên liệu có nhiệt trị nhỏ: QH =  16 MJ/m3 (ở 760 mmHg 200C) Gồm khí lò cao, lò ga, thành phần chủ yếu CO H2 Nhiên liệu có nhiệt trị trung bình: QH = 16  23 MJ/m3 (ở 760 mmHg 200C) Gồm loại khí CN khí than cốc, khí thắp thành phần chủ yếu H2 Nhiên liệu có nhiệt trị cao: QH = 23  28 MJ/m3 (ở 760 mmHg 200C) Gồm khí thiên nhiên khí thu tinh luyện dầu mỏ, thành phần chủ yếu Mêtan (CH4) (30  99%) 3.2.1.3 Ứng dụng: Dùng động đốt tĩnh động vận tải 3.2.2 Nhiên liệu lỏng: 3.2.2.1 Nguồn gốc: • Nhiên liệu thể lỏng thường sản phẩm chưng cất dầu mỏ • Là hỗn hợp nhiều carbon hydro có kết cấu phân tử khác nhau, định tính chất hố học nhiên liệu ảnh hưởng nhiều đến trình bốc tạo hố khí cháy nhiên liệu động 3.2.2.2 Cấu tạo: Thành phần chủ yếu dầu mỏ bao gồm: • Paraphin (Anken) CnH2n+2 • Napten (Xicơlen) CnH2n • Aromatic (Carbua thơm) CnH2n-6 C2nH2 • Tỉ lệ dầu mỏ: (83- 87%)C, (11-14%)H2 lại O2, N2 S 3.2.2.2.1 Paraphin (Anken) CnH2n+2 Là hợp chất hữu mạch hở, phân tử liên kết theo mạch thẳng hay nhánh Theo số liên kết nguyên tử C, chia ankan làm loại: • Paraphin no: carbua no, nguyên tử carbua liên kết đơn, mạch thẳng Công thức cấu tạo: CnH2n+2 Ví dụ: H H–C–H H H H H H – C – C– C– C– H H H H H H C4H10 Butan CH4 Mêtan H H H H H H – C – C – C – C – C– H H H H H H C5H12 Bentan Ngồi có carbua đồng vị với cấu trúc theo mạch nhánh –C–C–C– C C4H10 Izobutan – C – C – C– C – C C5H10 Izopentan • Olêphin Chưa bão hồ, khơng no carbua mạch hở có liên kết kép nguyên tử cacbon Cơng thức CnH2n Ví dụ: C=C C5H10 Izopentan –C–C=C–C– C5H10 Izopentan • Acetylen Là carbua hydro mạch hở, không no liên kết nguyên tử cacbon Công thức là: CnH2n-2 • Olêphin axetylen thường khơng chứa dầu mỏ hình thành tinh luyện dầu mỏ • Trong xăng, tốt thành phần có đồng vị ankan chúng khó kích nổ • Trong Diesel, thành phần tốt ankan mạch thẳng có nhiệt độ tự cháy thấp chất izoankan, tính ổn định hố học nhiệt độ cao thời gian cháy trễ ngắn 3.2.2.2.2 Xicơlen: Có kết cấu phân tử theo mạch vòng gồm cacbon liên kết đơn, công thức chung CnH2n Cấu trúc phân tử vòng đảm bảo tính khó bốc cháy lớn, tính ổn định hố học cao, khó phân giải, thời gian cháy trễ dài Trong xăng có chứa Xicơlen tăng độ bền vững kích nổ Ví dụ: C C C C C C C C C C C C5H10: Cyclopentan C6H12: Cyclohexican 10 • Trong động xăng  lớn (hỗn hợp nghèo, loãng) nhỏ (hỗn hợp đậm, giàu) thay đổi phạm vi 0,85 1,15 tuỳ điều kiện làm việc • Trong động Diesel  phụ thuộc vào tải trọng luôn lớn 1, trung bình từ 1,35 3.6.2.2 Lượng khí nạp mới: Trong động xăng động phun xăng đường ống nạp, lượng khí nạp gồm có khơng khí nhiên liệu xác định: 1 Kmol/Kgnl(12) M M   M   nl  nl  nl trọng lượng phân tử xăng,  nl =110-120, thường  114 Đối với động ga lượng khí nạp gồm 1kmol khí M0 kmol khơng khí, vậy: M1 = +  MO Kmol / Kg mol nl (13) Đối với động Diesel, thể tích nhiên liệu lỏng so với thể tích khơng khí nhỏ (đến 0,01% thể tích khơng khí) Vì giá trị bỏ qua,  nl lượng khí nạp M1 =  MO Kmol / Kg nhiên liệu 34 3.6.2.3 Sản vật cháy: • Đối với nhiên liệu lỏng: nhiên liệu cháy hoàn toàn   sản vật cháy lúc gồm CO2, H2O, O2 thừa N2 có khơng khí Số lượng chúng ứng với 1kmol C M CO  12 kmol CO2/kmol nhiên liệu M H 2O  H kmol H2O/kmol nhiên liệu M O2  0,21  1M kmol O2/kmol nhiên liệu M N  0,79M kmol N2/kmol nhiên liệu M   M i  M CO2  M H 2O  M O2  M N C H   0,21  1M  0,79M 12 C H    M  0,21M 12  Thay 0,21M0 từ (6) vào ta được; M  M  H O kmol/kg nhiên liệu (15)  32 35 • Đối với nhiên liệu khí; Số lượng thành phần sản vật cháy xác định theo cơng thức (kmol/kmol khí nhiên liệu) (m3/m3 nhiên liệu) M CO2   nC n H m O r  m M H O   (C n H m O r N2: lượng N2 có nhiên liệu M O  0,21  1M M N  0,79M  N m  M    n  C n H m O r  M  0,21M  N 2  Sau biến đổi ta được:  m r M      1C n H m O r  1  M  4  Kmol/kmol nhiên liệu m3/m3 nhiên liệu 36 3.6.3 Nhiên liệu cháy khơng hồn toàn: Ở động đốt cháy tia lửa điện có chế độ làm việc yêu cầu hỗn hợp đậm  0, o, , x > 1, điều chứng tỏ cháy số mol khí tăng thể tích tăng Sự tăng thể tích có lợi sản vật cháy giản nở cơng có ích tăng lên chút 43 • Khi cháy hoàn toàn M phụ thuộc vào lượng H2 O2 nhiên liệu, không phụ thuộc vào  (mất 1kmol O2 2kmol H2O lượng oxy nhiên liệu chuyển thành khí) cháy khơng hồn tồn M khơng phụ thuộc vào H2 O2 mà phụ thuộc vào lượng C  (Cháy C: 1kmol O2 2kmol CO,  thay đổi làm thay đổi tỷ lệ Cacbon cháy thành CO CO2) 3.6.4.4 Tỉ nhiệt môi chất công tác: Quan hệ tỉ nhiệt nhiệt độ: Chu trình thực tế thực với mơi chất cơng tác có tỉ nhiệt thay đổi theo nhiệt độ Trong tính tốn dùng bảng tỷ nhiệt thường phải nội suy, theo đồ thị tỉ nhiệt phụ thuộc nhiệt độ thường xác Muốn xác định nhiệt độ sở tính tốn tỉ nhiệt dùng phương pháp không thuận tiện Cách tốt tính tỉ nhiệt theo quan hệ thể tích Song thực tế tỉ nhiệt phụ thuộc nhiệt độ khơng theo quan hệ tuyến tính 44 Để đơn giản tính tốn, ta coi quan hệ tuyến tính biểu thị tỉ nhiệt mol đẳng tích sau: mCvt = av + bt (theo độ C) (theo độ K) mCvT = a’v + bT Thường tính tốn ta dùng tỉ nhiệt trung bình 00C t0C 00KT0K Ký hiệu mCvt , mCvT b mCvt  a v  t b mCvT  a v  T mC vt  mC vT  273 • • • • b suy Tỉ nhiệt mol đẳng áp: mCp = mCv + 8,314 KJ/Kmol độ Tỉ nhiệt số chất khí KJ/Kmol độ N2, O2, CO, khơng khí: mCvT = 19,806 + 0,00419T H2O: mCvT = 22,397 + 0,01005T H2 : mCvT = 19,731 + 0,00293T CO2: mCvT = 30,088 + 0,01257T 45 Tỉ nhiệt khí nạp: Khí nạp động Diesel khơng khí, Động xăng hỗn hợp nhiên liệu khơng khí  Do lượng nhiên liệu đưa vào so với khơng khí bỏ qua ảnh hưởng nhiên liệu đến tỉ nhiệt khí nạp Do loại động tính theo tỉ nhiệt khơng khí Tỉ nhiệt mơi chất cơng tác: Hỗn hợp cơng tác gồm có khí nạp khí sót xác định tỉ nhiệt theo cơng thức tỉ nhiệt hỗn hợp khí: mC’v = rimCvi ri, mCvi: thành phần thể tích tỉ nhiệt mol đẳng tích chất khí thành phần ' mC v M1.mC v Mr.mC'v' mCv   r mC'v'    M1  Mr M1  M r 1 r mCv, mCv’’: tỉ nhiệt khí nạp khí sót (sản vật cháy) 46 Tỉ nhiệt sản vật cháy Tuỳ theo  >1 hay  < mà sản vật cháy gồm chất khác nhau, tỉ nhiệt mol đẳng tích tính: M n ri  mC v   ri mC vi n M i 1 i i 1 Giả sử  >1 thì: rCO2  M CO2 M2 rH 2O  M H 2O M2 rO2  M O2 M2 rN  M N2 M2 mCv  rCO2 mCvCO2  rH2O mCvH2O  rO2 mCvO2  rN2 mCvN2 Tỉ nhiệt mol phụ thuộc vào: thành phần nhiệt độ Vì thành phần trọng lượng loại nhiên liệu lấy từ dầu mỏ khơng thay đổi, cháy thành sản vật cháy M H O M CO không đổi ( = 1),  > chia: • Khơng khí thừa (N2+O2) • Sản vật cháy khiết 2 47 Trên sở tính tốn tính tỉ nhiệt sản vật cháy theo cơng thức: •   1: 1,634   184,36  5  mC 'v'  19,867     427,38  10 T     KJ/Kmol độ • 0,7  