天然气发动机的热效率

辽宁大学学报JOURNAL OF LIAONING UNIERSITY自然科学版Natural Sciences editio第38卷第2期2011年o.38Na.22011天然气发动机的热效率高志崇(泰山学院化学与环境科学系,山东泰安27100)摘要:推导了变AH、机械功W与燃烧反应放出的光子的波长A、数量n之间的关系,公式为AH=聊,、01902,计算热机效率n的公式为们“AFE(28k)°若发动机燃料为甲烷排气温度为970K,计算得到的热机效率为4063%;若排气温度为298K热机效率为70.19%。关键词:燃烧反应;焓;热效率;波长;内燃机中图分类号:0643.21文献标识码:A文章编号:10005846(2011)020116040引言分析热机是将热转变为功的机器,包括内燃机、蒸燃烧反应的反应焓△H与光子数汽机汽轮机、燃气轮机和喷气发动机现在,汽车量波长及机械功之间的关系用发动机是内燃机随着社会的发展汽车越来越汽车发动机燃料燃烧产生的能量主要用于三多,能源消耗日益增加,人们对能源问题日益关个方面:(1)对外作机械功;(2)使产物的温度上注迫切希望提高能源的利用率,降低环境污染.升;(3)发光其中机械功和光都属于非体积功1824年,法国工程师卡诺设计了卡诺热机,给出根据热力学第一定律,则有了热机效率的计算公式,为提高热机效率指出了AU= U2-U, =Q方向,对热力学理论的发展起到了重要的推动作Q为体系和环境之间交换的热量,W为体积用但是,卡诺热机是可逆热机,实际工作的热机功W为有用功,W为光子的能量(规定体系对不是可逆热机尽管现在热机的工作效率比19世环境作功为正值)纪初的热机的效率已经有了很大的提高,但是,现假设某燃烧反应发出nmol光子,则有2-:在各种内燃机的效率仍然较低,四冲程柴油机的nNhc/A=0.1196n/A(2)热效率为0.43~0.50,四冲程汽油机的热效率为式中E。为每摩尔光子的能量(J·mol-l),N025~0.40.那么,热机的工作效率为什么这么为阿伏加德罗常数(6.022×103mo-),h为普低?热机效率的极限是多少?近几年来,由于天朗克常数(6.626×10-J·s),c为光速(2998然气汽车具有污染少等多方面优点因而得到快10°m·8-4),λ为波长(m)速发展由于天然气的化学成分较为简单,下面将假设燃烧反应是在恒压条件下进行的,且:以天然气发动机为例,从化学热力学的角度予以P1=中国煤化工CNMHG作者简介:高志崇(1966-)女,山东招远人,副教授从事燃烧化学及光化子训收稿日期:2010-10-11第2期高志崇:天然气发动机的热效率117那么W=p(V2-V1)(3)CH4+202+7.52N2→CO2+2H20(g)+7燃烧反应可近似地看成绝热反应52N2+1.5h即:Q=0(4)表1某些物质的热力学性质将(2)、(3)、(4)式代人(1)式得:(2+叫)-(U1+p1)=-W1-096n物质J·m,k-"a+bnk+c(T/x)-24H()74.84836.1624.310根据焓的定义H=U+PVH2o(g)因而AH=H2-B2=-W,0.1196n(5)C448.54通常情况下,燃烧产物的温度最终为常温,因而燃料完全燃烧时的反应热△H(298K)可以看四冲程发动机是活塞往复四个行程完成一个作是燃料可以释放的最大热量,所以,热机的效率工作循环,包括进气压缩,燃烧与膨胀作功排气为:四个过程燃烧膨胀过程结束时,柴油机气缸中气W体的温度为970K~1170K,汽油机气缸中气体△,H°(298K)(6)的温度为1170K-1470K(,为计算方便起见,将发动机工作过程看成是等压过程假设天然气2甲烷燃烧反应机理发动机的排气温度为970K,由于焓是状态函数,甲烷燃烧反应的机理为2因而可设计途径,如图1(1)O2+hy20(2)CH4→C+2Hmol CO,. 2mol H:O(g).7.32mol N: 29BKP△H-W-016M152mN9oκ,p(3)H2+0·→H2O+hν(4)C+0·→CO+hv等滩等压过程等压升串过程(5)2co+02-+2CO2由以上机理可以看出,甲烷完全燃烧反应时的方程式为:CH4+202→CO2+2H20(g)+图1甲烷完全燃烧时的途1.5hv.由方程式可以看出,每摩尔甲烷完全燃烧发出1.5mol光子△H°(298K)=2△H°(298K,H2O,g)+△H(298K,CO2)-△H(298K,CH4)=(-2x3天然气发动机的效率241.827-393.514+74.848)k·moll=3.1发动机的效率802.32kJ·mol-1天然气的主要成分是甲烷达90%以上为由图1可以看出:计算方便起见,以甲烷为燃料计算发动机的效率AH,=L[C,.(CO2)+2 Cr-n(H,0, g)+某些物质的热力学性质见表1.假设本文计算的所有气体均为理想气体,空7. 52C.(N,)]dT气中N2的含量为79%,O2的含量为21%,甲烷中国煤化工3r-0.85x与空气中的氧气完全反应时,反应式为:CNMHG105T2)2x(30.00+10.-3T+0.33118辽宁大学学报自然科学版2011年10572)+7.52x(27.87+4.27×10-7)]时发动机的工作效率为40.63%这一数值与实dr|J·m1=[P(313.721+62.570×10-T际情况较为接近但高于实际效率原因有以下几个方面:(1)燃料燃烧不完全,(2)发动机在工作0.19×1072)d]J·mol-=237.138×103时不可能是绝热的(3)运动件的摩擦消耗功以及其他部件消耗的功,(4)甲烷与空气的比例不△H=△H:(298K)+△H1=(-802.32可能正好是化学反应的理论比等237.138)kJ·mol-1=-565.182kJ·mol-l另外,发动机的最大效率是人们关注的另一甲烷在空气中燃烧后体系为蓝色,蓝色的波个问题从本文的计算来看,当发动机排气时的温长范围为450-500m6,取A=500m予以计度为常温298K时,其效率为70.19%这一数值算根据公式(5)得可视为以甲烷为燃料的热机的极限效率,因为达-565.182×103=-W,0.119×1.5到该效率的条件是甲烷完全燃烧,空气进入量恰500x10好符合化学反应的方程式,且产物的温度达到常W;=325.982kJ·mol1热机效率:=△H(8=802.32×为比较方便起见,将不同排气温度时的热机100%=40.63%效率列于表2由表2可以看出,降低排气温度有由以上计算可以看出,以甲烷作为燃料的发利于提高热机效率实际热机效率与多方面因素动机若排气温度为90K,则其能量利用率最高有关,本文从化学热力学的角度对热机效率进行为40.63%,该计算值与实际的利用率较为接近了理论探讨,为热机效率提供了一个新的分析角3.2天然气发动机的最高效率度表2不同排气温度时的热机效率若要提高发动机的工作效率,可通过降低产物温度实现产物温度越低热机工作效率越高排气温度波长热机效率反应式在通常情况下,产物最终温度为常温假设发动机CH4+202+7.52N2→排气时的温度为298K根据公式(5)得:cO2+2H20(g)+7.52N2+1.5/29850070.19%80232×103=-W,0.196×15500×109W;=563.12kJ·mol參考文献:563.12热机效率为:7△=(298K)8221]李刚内燃机[M]·北京中国铁道出版社2007.31100%=70.19%%可视为热机效率的极限因为达到该[2]高志崇.烃燃烧反应机理探讨[J]辽宁大学学报自然科学版,2002,29(3):266-271效率的条件是甲烷完全燃烧,空气进人量恰好符[3]高志崇.甲烷燃烧反应的火焰温度[].山西大学合化学反应的方程式,且产物的温度达到常温学报,2004,27(1):32-34.4小结[4]高志崇.甲烷爆炸后体系的温度与压力辽宁学报自然科学版200835(2)143-146.本文以天然气发动机为例说明了发动机的[5]中国煤化工尊教育出版社工作效率假设甲烷与空气的比例正好符合化学CNMHG反应的比例,完全燃烧,且排气时的温度为90K[6]金世勋物理化学[M].北京:高等教育出版社第2期高志崇:天然气发动机的热效率119The Thermodynamic Efficiency of Natural Gas EngineGAO Zhi-chongDepartment of Chemistry and Environmental Science, Taishan University, Tai'an 271000, China)Abstract: The relation among the change of enthalpy( AH), mechanical work(W,), the wavelength(Aand number(n)of photons sent by combustion reaction was deduced as AHs-W -0. I196n. The for-mula to calculate thermodynamic efficiency(n)of engine was nIf the fuel of engine was△H°(298K)methane 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(责任编辑李超)中国煤化工CNMHG