Σίνδος, Οκτώβριος 2009

46
Σίνδος, Οκτώβριος 2009 ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙ Η ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΙΣ Μ.Ε.Κ. Μερκούριος Γώγος Εργαστηριακός Συνεργάτης

description

ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ. Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙ Η ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΙΣ Μ.Ε.Κ. Μερκούριος Γώγος Εργαστηριακός Συνεργάτης. Σίνδος, Οκτώβριος 2009. Ορισμοί. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Σίνδος, Οκτώβριος 2009

Page 1: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

Σίνδος, Οκτώβριος 2009

ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙ

Η ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΙΣ Μ.Ε.Κ.

Μερκούριος ΓώγοςΕργαστηριακός Συνεργάτης

Page 2: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

2

Καύση ονομάζεται η εξώθερμη χημική αντίδραση κάθε

καυσίμου υλικού με το οξυγόνο, που συντελείται με

μεγάλη ταχύτητα και με μεγάλη απόδοση θερμότητας

έτσι ώστε αυτή να είναι τεχνικά εκμεταλλεύσιμη.

Μετατροπή της χημικής ενέργειας που περικλείεται στο

καύσιμο σε θερμική.

Στις Μ.Ε.Κ. μέρος της παραγόμενης θερμότητας

μετατρέπεται στη συνέχεια σε μηχανικό έργο.

Διαφορά με την οξείδωση;

Ορισμοί

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Page 3: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

3

Μετατροπές ενέργειας

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

ΧΗΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

ΜΗΧΑΝΙΚΟ ΕΡΓΟ

ΚΑ

ΥΣ

ΗΜ

.Ε.Κ

.

Page 4: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

4

Η διεργασία της καύσης

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

ΚΑΥΣΑΕΡΙΑ

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

ΚΑΥΣΙΜΟ

ΟΞΥΓΟΝΟ

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

Page 5: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

5

Κατά τη διεργασία της καύσης λαμβάνουν ταυτόχρονα

χώρα πολύπλοκα φαινόμενα

Μεταφοράς μάζας

Μεταφοράς θερμότητας

Μεταφοράς ορμής

Χημικής κινητικής

Η μελέτη της διεργασίας είναι σύνθετη και προϋποθέτει

γνώσεις Θερμοδυναμικής, Αεροδυναμικής και Χημείας

Η μελέτη της διεργασίας της καύσης

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Page 6: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

6

Τα καύσιμα υλικά μπορεί να είναι στερεά, υγρά ή αέρια.

Τα στοιχεία του καυσίμου που καίγονται είναι κυρίως ο

άνθρακας, το υδρογόνο και κατά δεύτερο λόγο το θείο.

Γιατί τα αέρια καύσιμα υπερτερούν των υγρών;

Τέλεια καύση ονομάζεται αυτή που τα προϊόντα της δεν

μπορούν να καούν περαιτέρω.

C CO2, H H20, S SO2

Η παρουσία CO στα καυσαέρια υποδηλώνει ότι η

καύση είναι ατελής

Καύσιμα

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Page 7: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

7

Αντιδράσεις καύσης

2 Η2 + Ο2 2 Η2Ο

C + O2 CO2

2 CO + O2 2 CO2

S + O2 SO2

CmHn + (m+n/4) O2 m CO2 + n/2 H2O

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

C8H18 + 25/2 O2 8 CO2 + 9 H2OΕργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙ

Σίνδος, Οκτώβριος 2009

Page 8: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

8

Παράγοντες που επιδρούν στην καύση

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Διαμόρφωση θαλάμου καύσης και κεφαλής του κυλίνδρου Είδος ροής του καυσίμου μίγματος στο θάλαμο καύσης

- σπειροειδής ροή (στροβιλισμός) & τυρβώδης ροή

- πλήθος, σχήμα, μέγεθος, θέση & χρονισμός βαλβίδων Χρόνος ανάφλεξης ή έγχυσης, θέση αναφλεκτήρα ή εγχυτήρα Λόγος συμπίεσης Λόγος αέρα/καυσίμου Ιδιότητες καυσίμου Προετοιμασία του μίγματος Ανακυκλοφορία καυσαερίων (EGR) Βαθμός ψύξης τοιχωμάτων θαλάμου και εμβόλου

Page 9: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

9

Προετοιμασία του μίγματος (βενζινοκινητήρες)

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Στόχος είναι η παρασκευή ομογενούς μίγματος αέρα-

καυσίμου στην επιθυμητή αναλογία. Για τη δημιουργία ομογενούς μίγματος τα συστατικά πρέπει

να βρίσκονται στην ίδια φάση. Το καύσιμο δηλαδή πρέπει να

έχει εξατμιστεί πριν την ανάφλεξη. Τι συμβαίνει στην κρύα εκκίνηση; Ρύθμιση της ροπής του κινητήρα μέσω του συστήματος

προετοιμασίας με στραγγαλισμό του ρεύματος εισαγωγής. Ομοιόμορφη διανομή στους κυλίνδρους. Υπεροχή συστημάτων ψεκασμού πολλαπλών σημείων. Σημαντικός είναι ο σχεδιασμός της πολλαπλής εισαγωγής.

Page 10: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

10

Ανάφλεξη

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

= 1/

Επίδραση του λ και της ταχύτητας ροής του μίγματος στην απαιτούμενη ενέργεια έναυσης σε μίγμα προπανίου-αέρα σε πίεση 0.17 atm

Hey

woo

d, 1

988

Page 11: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

11

Προπορεία ανάφλεξης - Κρουστική καύση

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Hey

woo

d, 1

988

Η μεγαλύτερη δυνατή προπορεία της ανάφλεξης καθορίζεται από το σημείο που αρχίζει η κρουστική καύση, ενώ η ελάχιστη από το όριο καύσης ή από τη μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία των καυσαερίων

Page 12: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

12

Ανακυκλοφορία καυσαερίων

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

EGR: Exhaust Gas Recirculation

Αποσκοπεί στη μείωση των εκπομπών NOx.

Στους βενζινοκινητήρες μειώνεται η θερμοκρασία της καύσης ενώ στους πετρελαιοκινητήρες μειώνεται η περίσσεια οξυγόνου.

Ποσοστό ανακυκλοφορίας

Βενζινοκινητήρες: 5% - 15%

Πετρελαιοκινητήρες: έως 50%

Page 13: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

13

Λόγος αέρα/καυσίμου

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Ο λόγος αέρα/καυσίμου είναι ο λόγος της μάζας του αέρα προς τη μάζα του καυσίμου (AFR ή A/F)

περίσσεια οξυγόνου φτωχό μίγμα

περίσσεια καυσίμου πλούσιο μίγμα

Στοιχειομετρικός λόγος αέρα/καυσίμου είναι αυτός που η ποσότητα του περιεχομένου στον αέρα οξυγόνου είναι όση ακριβώς χρειάζεται για την πλήρη καύση του καυσίμου (τέλεια ή στοιχειομετρική καύση).

Στοιχειομετρικός λόγος βενζίνης: 14.7:1 περίπου

Στοιχειομετρικός λόγος αιθανόλης: 9:1

Page 14: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

14

Λάμδα ( )

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Ορίζεται ως ο λόγος της αναλογίας αέρα/καυσίμου που λειτουργεί η μηχανή προς τον στοιχειομετρικό λόγο.

στοιχFA

FA

< 1 πλούσιο μίγμα

= 1 στοιχειομετρικό μίγμα

> 1 φτωχό μίγμα

Στους βενζινοκινητήρες: 0.6 < < 1.6

Page 15: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

15

Επίδραση του σε βενζινοκινητήρα

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Καμπύλη αγκίστρου

a φτωχότερο μείγμα λειτουργίας μηχανής

b καλύτερος θερμικός βαθμός απόδοσης

c στοιχειομετρικός λόγος ( =1)

d μέγιστη ισχύς

e πλουσιότερο μείγμα λειτουργίας μηχανής

Plint & Martyr, 1999

Page 16: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

16Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙ

Σίνδος, Οκτώβριος 2009

Μέση πίεση και ειδική κατανάλωση

Επίδραση του λόγου αέρα/καυσίμου στη μέση πίεση καιτην ειδική κατανάλωση σε βενζινοκινητήρα

Plin

t &

Mar

tyr,

199

9

Page 17: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

17

Λόγος αέρα καυσίμου σε κινητήρες Diesel

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Στα ετερογενή μείγματα, ο λόγος αέρα καυσίμου εκτείνεταιαπό καθαρό αέρα στην περιφέρεια των σταγονιδίων ( ) έως καθαρό καύσιμο στον πυρήνα των σταγονιδίων ( = 0)

Bos

ch,

2007

Page 18: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

18

Η βασική διαφορά μεταξύ των βενζινοκινητήρων

(ανάφλεξη με σπινθήρα) και των πετρελαιοκινητήρων

(αυτανάφλεξη με συμπίεση) έγκειται περισσότερο στο

είδος της καύσης και λιγότερο στον θεωρητικό κύκλο

λειτουργίας (Otto ή Diesel).

Στην πραγματικότητα η διεργασία της καύσης στις

Μ.Ε.Κ. δεν γίνεται ούτε υπό σταθερό όγκο (κύκλος

Otto) ούτε υπό σταθερή πίεση (κύκλος Diesel).

Καύση σε βενζινοκινητήρες & πετρελαιοκινητήρες

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Page 19: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

19

Βενζινοκινητήρες Ομογενές καύσιμο μίγμα - Φλόγα προανάμειξης Στοιχειομετρική αναλογία για αξιόπιστη ανάφλεξη και καλή

καύση Έλεγχος της αποδιδόμενης ισχύος μέσω στραγγαλισμού

της ροής του μίγματος αέρα-καυσίμου (μείωση απόδοσης)

Πετρελαιοκινητήρες Ετερογενές καύσιμο μίγμα - Φλόγα διάχυσης Στοιχειομετρική αναλογία μόνο στο μέτωπο της φλόγας Έλεγχος της αποδιδόμενης ισχύος με τον έλεγχο της

ποσότητας του εγχυομένου καυσίμου (οικονομία καυσίμου)

Καύση σε βενζινοκινητήρες & πετρελαιοκινητήρες

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Page 20: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

20

Φλόγα προανάμειξης

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Όταν τα αντιδρώντα (καύσιμο και αέρας) έχουν αναμειχθεί εκ των προτέρων, το μέτωπο της φλόγας κινείται διαχωρίζοντας τα αντιδρώντα (καύσιμο μίγμα) από τα προϊόντα (καυσαέρια).

Η φλόγα προανάμειξης μπορεί να είναι στρωτή ή τυρβώδης

Sto

ne,

1999

Page 21: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

21

Φλόγα προανάμειξης

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Οξυγονοκόλληση

Page 22: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

22

Φλόγα διάχυσης

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Η φλόγα εκδηλώνεται στη διεπιφάνεια μεταξύ καυσίμου και οξειδωτικού. Τα προϊόντα της καύσης (καυσαέρια) διαχέονται στο οξειδωτικό και αντίστροφα το οξειδωτικό διαχέεται στα καυσαέρια. Το ίδιο συμβαίνει και στην πλευρά του καυσίμου.

Η φλόγα διάχυσης μπορεί να είναι στρωτή ή τυρβώδης

Sto

ne,

1999

Page 23: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

23

Φλόγα διάχυσης

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Κερί

Page 24: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

24

Φλόγα λύχνου Bunsen

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Το είδος της φλόγας εξαρτάται από την παροχή οξυγόνου

1. Πλούσιο μίγμα χωρίς προανάμειξη: Ατελής καύση και παραγωγή αιθάλης στην οποία οφείλεται το κίτρινο χρώμα.

4. Φτωχό μίγμα με πλήρη προανάμειξη:Τέλεια καύση χωρίς παραγωγή αιθάλης.Το γαλάζιο χρώμα οφείλεται στη διέγερση μοριακών ριζών. Διάφοροι τύποι φλόγας ενός λύχνου Bunsen

Page 25: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

25

Καύση σε βενζινοκινητήρα

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Sto

ne,

1999

Page 26: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

26

Καύση σε βενζινοκινητήρα

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Sto

ne,

1999

Page 27: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

27

Καύση σε βενζινοκινητήρα

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Sto

ne,

1999

Page 28: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

28

Καύση σε βενζινοκινητήρα

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Page 29: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

29

Καύση σε πετρελαιοκινητήρα (άμεσου ψεκασμού)

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Σειρά 1: Μέτριο φορτίο

1a 0° - 2° ATDC έγχυση καυσίμου

1b 41/2° - 61/2° ATDC έναρξη καύσης

1c 10° - 12° ATDC εξελιγμένη καύση

Σειρά 2: Υψηλό φορτίο

2 10° - 12° ATDC εξελιγμένη καύση

1b1a 1c 2

Sto

ne,

1999

Page 30: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

30

Ποιότητα καυσίμου – Φυσικοχημικές ιδιότητες

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Ιδιότητα Βενζίνη Diesel

Χημικός τύπος C4 έως C12 C8 έως C25

Μοριακό βάρος 100-105 ~200

Άνθρακας/Υδρογόνο (w/w) ~6.4 ~5.9

% Άνθρακας (w/w) 85-88 84-87

% Υδρογόνο (w/w) 12-15 13-16

% Οξυγόνο (w/w) 0 0

Σημείο βρασμού @ 1 atm (°C) 27 - 225 188 - 343

Σημείο πήξης @ 1 atm (°C) -40 -40 έως -30

Πυκνότητα @ 15.5 °C (kg/L) 0.72 - 0.78 0.81 - 0.89

Τάση ατμών RVP (kPa) 55 - 102 < 1

Ιξώδες @ 20 °C/1 atm (Centipoise) 0.37 - 0.44 2.6 - 4.1

Κατώτερη θερμογόνος δύναμη (kJ/kg) 40100 - 41900 42900 - 43100

Λανθάνουσα θερμότητα εξαέρωσης @20 °C (kJ/kg) 330 - 400 ~233

Page 31: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

31

Ποιότητα καυσίμου – Φυσικοχημικές ιδιότητες

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Ιδιότητα Βενζίνη Diesel

Αριθμός οκτανίου RON 88-98 -

Αριθμός οκτανίου ΜON 80-88 -

Αριθμός κετανίου 5 - 20 40 - 55

Σημείο ανάφλεξης (°C) -42.8 52

Σημείο αυτανάφλεξης (°C) 257.2 ~316

Κατώτερο όριο τάσης ανάφλεξης (%vol) 1.4 1.0

Ανώτερο όριο τάσης ανάφλεξης (%vol) 7.6 6.0

Διαλυτότητα καυσίμου στο νερό Αμελητέα Αμελητέα

Διαλυτότητα νερού στο καύσιμο Αμελητέα Αμελητέα

Ηλεκτρική αγωγιμότητα (S/m) 1.35×10-11  

Στοιχειομετρική αναλογία αέρα/καυσίμου 14.7 14.7

Λόγος mol προϊόντων / moles O2+N2 1.08 1.07

kg CO2 ανά kg καυσίμου 3.18 3.26

Page 32: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

32

Θερμογόνος δύναμη

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Θερμογόνος δύναμη ονομάζεται η θερμότητα που εκλύεται κατά την καύση συγκεκριμένης ποσότητας στερεών, υγρών και αερίων καυσίμων.

Κατώτερη θερμογόνος δύναμη Ηu

Ανώτερη θερμογόνος δύναμη Ho

Hu = Ho - mH2O· c

Στα στερεά & υγρά δίδεται ανά μονάδα βάρους kJ/kg Στα αέρια δίδεται ανά μονάδα όγκου υπό Κ.Σ. kJ/m3(n)

Page 33: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

33

Κατώτερη θερμογόνος δύναμη

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Υγρά καύσιμα kJ/kg

Βενζίνη 40100 - 41900

Diesel 42900 - 43100

Κηροζίνη 43000

Αργό πετρέλαιο 39800 - 46100

Εξάνιο 44700

Ισο-οκτάνιο 44600

Αιθανόλη 26800

Μεθανόλη 19700 Bos

ch,

2007

Page 34: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

34

Κατώτερη θερμογόνος δύναμη

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Αέρια καύσιμα kJ/m3

LPG (Liquified Petroleum Gas) 46100

Φυσικό αέριο (Βόρειος θάλασσα) 46700

Φυσικό αέριο (Ρωσία) 49100

Υδρογόνο H2 120000

Μεθάνιο CH4 50000

Προπάνιο C3H8 46300

Βουτάνιο C4H10 45800

Ακετυλένιο C2H2 48100 Bos

ch,

2007

Page 35: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

35

Χημεία της καύσης - Mole

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Mole: Μονάδα ποσότητας ύλης

Το mole είναι η ποσότητα ύλης συστήματος που

περιέχει τόσες στοιχειώδεις οντότητες όσα είναι τα άτομα

που υπάρχουν σε 0,012 kg άνθρακος 12.

Εφ' όσον χρησιμοποιείται το mole, οι στοιχειώδεις

οντότητες πρέπει να καθορίζονται και μπορεί να είναι

άτομα, μόρια, ιόντα, ηλεκτρόνια, άλλα σωματίδια ή

καθορισμένα συγκροτήματα τέτοιων σωματιδίων.

Στο Διεθνές Σύστημα η πρότυπη μονάδα είναι το kmol

C126

Μαζικός αριθμός Α (p+ & n0)

Ατομικός αριθμός Ζ (p+)

Page 36: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

36

Χημεία της καύσης - Mole

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

1 mol σιδήρου περιέχει τον ίδιο αριθμό ατόμων με 1 mol χρυσού

1 mol αιθανόλης περιέχει τον ίδιο αριθμό μορίων με 1 mol νερού

Ο αριθμός ατόμων ενός mol σιδήρου είναι ίδιος με τον αριθμό

μορίων ενός mol νερού

Σταθερά Avogadro: ΝΑ= 6.022 x 1026 kmol-1

Πόση ποσότητα είναι 1 mol σπόρων καλαμποκιού;

Τόση, ώστε να καλύψει ομοιόμορφα όλη την έκταση των Η.Π.Α.

... σε ύψος 15 km

Page 37: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

37

Χημεία της καύσης - Σχετική ατομική μάζα

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Το mol ατόμων έχει μάζα σε γραμμάρια όσο η σχετική ατομική μάζα

Αr (ατομικό βάρος) του στοιχείου.

Σχετική ατομική μάζα Ar στοιχείου είναι ο αριθμός που δείχνει πόσες

φορές είναι μεγαλύτερη η μάζα του ατόμου του στοιχείου από το 1/12

της μάζας του 12C.

Η σχετική ατομική μάζα ενός στοιχείου είναι καθαρός αριθμός και

συμπίπτει πρακτικά με το μαζικό αριθμό του (A).

Γιατί όμως οι σχετικές ατομικές μάζες των στοιχείων δεν είναι ακέραιοι

αριθμοί;

Το άτομο του C δεν είναι 12 φορές το 1/12 του; Γιατί στον περιοδικό

πίνακα η σχετική ατομική του μάζα αναγράφεται 12.0107;

Page 38: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

38

Περιοδικός πίνακας στοιχείων

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

http

://g

o.hr

w.c

om

Page 39: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

39

Νόμοι διατήρησης φυσικών μεγεθών

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Τα φαινόμενα καύσης υπακούουν στην αρχή της διατήρησης των φυσικών μεγεθών.

Οι σχετικοί νόμοι είναι: Διατήρηση της συνολικής μάζας Διατήρηση της μάζας ενός χημικού στοιχείου Ισοζύγιο μάζας των χημικών συστατικών Ισοζύγιο ενέργειας Ισοζύγιο ορμής σε διάφορες κατευθύνσεις

Page 40: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

40

Στοιχειομετρική καύση

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

εCαHβOγNδ + (0.21 Ο2 + 0.79 Ν2) ν1CO2 + ν2H2O + ν3Ν2

CαHβOγNδ : Χημικός τύπος καυσίμου

ε : λόγος μορίων καυσίμου/αέρα

Προϊόντα της στοιχειομετρικής καύσης είναι μόνοτο CO2 και το H2O

Page 41: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

41

Στοιχειομετρική καύση

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

εCαHβOγNδ + (0.21 Ο2 + 0.79 Ν2) ν1CO2 + ν2H2O + ν3Ν2

Οι συντελεστές ε, ν1, ν2 και ν3 υπολογίζονται βάσει της

αρχής διατήρησης της μάζας κάθε στοιχείου:

Άτομα C εα = ν1

Η εβ = 2ν2

Ο εγ + 2 (0.21) = 2ν1 +ν2

Ν εδ + 2 (0.79) = 2ν3

Page 42: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

42

Στοιχειομετρική καύση

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

στοιχFA

FA

στοιχs AF

AF

F

F

Ορίζεται ως ισοδύναμος λόγος (equivalence ratio) o πραγματικός λόγος καυσίμου/αέρα προς τον στοιχειομετρικό

Το έχει ήδη ορισθεί ως:1

εCαHβOγNδ + (0.21 Ο2 + 0.79 Ν2)

ν1CO2 + ν2H2O + ν3Ν2 + ν4O2 + ν5CO + ν6H2

Η γενική χημική αντίδραση της καύσης μπορεί να γραφεί

Page 43: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

43

Επίλυση προβλημάτων καύσης φτωχού μίγματος

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

εCαHβOγNδ + (0.21 Ο2 + 0.79 Ν2)

ν1CO2 + ν2H2O + ν3Ν2 + ν4O2 + ν5CO + ν6H2

Όταν το μίγμα είναι φτωχό (δίδεται < 1 ή > 1) μπορεί να γίνει η παραδοχή ότι τα καυσαέρια δεν περιλαμβάνουν CO και H2 .

Είναι δηλαδή ν5 = ν6 = 0.

Το ε υπολογίζεται από την στοιχειομετρική αντίδραση καύσης.

Επομένως οι 4 άγνωστοι συντελεστές ν1, ν2, ν3 και ν4 μπορούν να υπολογιστούν επιλύοντας το σύστημα των 4 ισοζυγίων των ατόμων C, H, O και N.

Page 44: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

44

Επίλυση προβλημάτων καύσης πλουσίου μίγματος

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

εCαHβOγNδ + (0.21 Ο2 + 0.79 Ν2)

ν1CO2 + ν2H2O + ν3Ν2 + ν4O2 + ν5CO + ν6H2

Όταν το μίγμα είναι πλούσιο (δίδεται > 1 ή < 1) μπορεί να γίνει η παραδοχή ότι τα καυσαέρια δεν περιλαμβάνουν O2 .

Είναι δηλαδή ν4 = 0.

Το ε υπολογίζεται από την στοιχειομετρική αντίδραση καύσης.

Για την εύρεση των 5 συντελεστών ν1, ν2, ν3 , ν5 και ν6 δεν αρκούν τα 4 ισοζύγια των ατόμων C, H, O και N.

Θα χρησιμοποιηθεί η σταθερά ισορροπίας της αντίδρασης CO2 + H2 CO + H2O

Τώρα έχουμε 5 εξισώσεις και 6 αγνώστους ...

61

52Kνν

νν

Page 45: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

45

Επίλυση προβλημάτων καύσης πλουσίου μίγματος

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Αν όμως είναι γνωστή η θερμοκρασία των καυσαερίων Τ, υπάρχει συσχέτιση με τη σταθερά ισορροπίας Κ όταν 300 < Τ < 1000 K

ln K = 2.743 – 1.761 t – 1.611 t2 + 0.2803 t3

και t = T 1000

a

acbbν

2

42

5

Για πλούσιο μίγμα δίδεται

όπου: a = 1 – K

b = 0.42 - ε(2α-γ) + Κ [0.42( -1) + α ε]

c = -0.42α ε( -1)Κ

Οπότε έχουμε 9 εξισώσεις και 9 αγνώστους

Page 46: Σίνδος,  Οκτώβριος 2009

46

Βιβλιογραφία

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Οκτώβριος 2009

Bosch (2007). Bosch Automotive Handbook, 7th Edition. Robert Bosch GmbH, Plochingen, Germany.

Ferguson Colin (1986). Internal combustion engines, applied thermosciences. John Wiley & Sons, Inc., U.S.A.

Heywood, John (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Book Co., U.S.A.

Plint Michael & Martyr Anthony (1999). Engine testing: Theory and Practice, 2nd Edition. Butterworth-Heinemann, Oxford, United Kingdom.

Stone Richard (1999). Introduction to Internal Combustion Engines, 3rd Edition. Palgrave, New York, U.S.A.

Τριανταφύλλης Ιωάννης (1998). Διδακτικές σημειώσεις εργαστηριακού μαθήματος Μ.Ε.Κ. ΙΙ. Τμήμα Οχημάτων, Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών, Τ.Ε.Ι. Θεσσαλονίκης.