第1章燃烧中的化学热力学及燃烧化学问题 13 H0→H2+02, (b 式(a)的平衡常数为 PHO Kd-Pup 式(b)式的平衡常数为 Kr=Pupi PHo (d) 由式(c)、式(d)可知 (e) 即正逆反应方向考虑的平衡常数互为倒数，于是，由表1-3可以查得在3000K时的gK2 -1.07则 K2=101.m=0.0851138 Kp1=1/K2=11.74898。 设反应式(a)在3000K时的反应度为入，平衡时的反应系统各物质之总数为 (1-A)(H2+02)+H0 各物质的总摩尔数为 n=(1-1+2)+=1.5-0.5x 各物质的摩尔比为 a906费， x0=1.5-0.57g 各物质的摩尔比应能满足式(1.23)，即 品f A1.5-0.5) (1-) 随即可以求得在此条件下反应式()的反应度A。 同理，当温度为2000K时其反应度：入也可求得。计算表明氢氧反应随温度的增高而其平 衡常数下降，其反应程度下降，而逆向的分解有所增加。 由于化学反应平衡状态的存在，反应度是一个小于1的数值，故燃烧产物中必然含有一些 未反应完的反应物。燃烧过程也必然在其产物中存在许多种未反应彻底的中间反应物，如 NO,HC、C0,H等微量成分，之所以会有这么多成分的未燃烧完全的中间产物是因为燃烧过程 的化学反应不是一步完成的，而是由许多步平行的或连续的中间反应所构成，而每一步中间反 应都服从化学平衡即反应速度的规律
14 燃烧理论基础 因此，从化学平衡原理出发，燃烧反应过程可以概括地写成 ∑5 然烧一「∑1-)店+A卫 黛 这在正确计算燃烧产物和燃烧温度时是十分有用的。 1.3燃烧空气量与燃烧产物的计算 在设计任何燃烧装置或发动机时都必须认真地计算该燃烧过程所需的空气量及燃烧产 物，只有这样，才能进行燃烧温度，热力过程、传热、燃烧室及其进排气系统的设计：才能较正确 地预测发动机及燃烧设备动力装置的性能。 通常，计算燃烧所需空气量与燃烧产物有两种方法：一是根据燃料的成分来计算；二是根 据燃料的分子式来计算。在进行计算之前还要了解过量空气系数Φ(aio)及当量比Φ的定 义并作些说明。 1.3.1过量空气系数中及当量比中 世界各国的技术科学文献中对燃烧所需的空气量常用的表示方法不同。在日本、俄罗斯、 欧洲大陆及我国的多数文献中习惯于用过量空气系数Φ来表示实际燃烧所用空气量与理论 空气量之间的关系。在英、美、加拿大及我国的部分文献中用当量比Φ来表示。在汽油机的 燃烧文献中又较广泛地用空气与燃料钓质量比一空燃比AV下或燃空比/A来表示。在这 里作一简要的介绍。 1.过量空气系数Φ 定义过量空气系数中为燃烧所提供的实际空气量m,与理论空气量m之比值， (1.40) 其中下标a表示空气，ast表示化学计量比（即理论值）的空气，st系stoichic(adl)(化学计 量)之意。在许多书籍中又表示为 =片长 (1.40) 式中：o,L',为燃烧kg燃料所需的理论（化学计量）的空气量的摩尔数及质量（其单位为 kmol/kg、kg/kg;L、L'为燃烧1kg燃料所提供的实际空气量。 2.浓度C (1.41) 式中：m、m,分别表示一定体积中可然混合物中的燃油质量及空气量；C为可燃混合物的油 气比或燃空比。 化学计量浓度是按化学计量配比的燃料质量与空气质量之比，即
第1章燃烧中的化学热力学及燃烧化学问题 15 c-(.· (1.41) 式中：m/m的m是与mr相适应钓理论空气质量；m6/m.的m,是与m,相适应的理论燃 油质量。(C即系相当于中u=1时的浓度)。 3.当量比φ 当量比是所讨论的容积内可燃混合剂的实际浓度C与化学计量（理论）浓度之C,之比， 免 0名 (1.42) 显而易见，中与中之值系互为倒数的，即 币=本 (1.43) 1.3.2燃烧空气量与燃烧产物量的计算 1.按燃料的元素成分计算空气量 一般的燃料由C、H,0,S等元素所组成。各种元素在完全燃烧时的反应式及耗氧量、产物 生成量的关系可作如下的计算。设燃料中各种元素的质量百分比为：gc,gH,gO,gs。显然 6c+gH+80+6s=1。 (1.44) 在理论条件下认为各种元素均完全燃烧，则有如下的关系存在： 反应式： C+0→C02,H+202→H0,S+02→S02。 燃烧1kg燃料理论所需氧气为 登+4+登-登[kml(o,)e燃料)] 氵gc+8gm+g5-0[gO,/g燃料)1. 其中g/32系燃料中的氧元素亦能供作燃烧之用，故可减少外界的供氧量。 相应地，燃烧1kg燃料所需的理论空气量为 =o.2登+4+登-登）[kml空气)kgw料门. (1.45) 如果燃烧时所供应的或所需要的空气量Φ≠1，则实际空气量为 L=(登+4+是-器〉【m空气e(燃料】。 (1.46) 或 L=ΦmLo=Lo/Φo (1.46) 2.燃烧产物的计算 理论燃烧产物（纯产物）的摩尔数Mm与燃料成分间的关系可从.上述反应式求得： Mm=登+學+登+0.79【kmol/kg(燃料)】。 (1.47)
16 燃烧理论基础 当中>1时， Mp=(Φt-l)Lo+Mog (1.48 其中第一项为多余的空气的千摩尔数：经化简后为 Mp=(a-0.21)0+登+型+登[kokg(燃料)】。 (1.49) 在大多数的动力机械及热能动力装置中极少采用中，<1的情况来设计燃烧器或燃烧室。 但汽油发动机在起动、怠速和高速、高负荷时，尤其是在汽车加速时会使用过浓的混合气，用以 提高汽油气化的绝对量及充分发挥汽油机的作功潜力。这时混合气的燃烧过量空气系数小于 1。因此，就必须考虑中<1时的燃烧产物计算 当中<1时， 由于空气不足，可认为有C0及H生成，没有足够的空气使之继续燃烧成C02及H0。 在燃烧产物中含有C02、C0、H,0、H2及及等成分（一般燃油中含S量板微，故可不计及 S02)。 设燃料中C元素有x%燃烧成CC2,其余的(1-x)gc燃烧成C0;H元君中有x%燃烧成 H0,其余的(1-x)gH为H,则燃烧产物中各组分的摩尔百分比分别为： M4o=型；M=1-, (1.50) 2 Mx,=0.79Loo 燃烧产物的总摩尔数为 M,=登+山-c+,1-u+0.79 若0=0，x与x之值可通过供氧量与耗氧量相等的组分守衡原则求得： 供氧量： 0.21a=竖+， 耗氧量 晋+“+ 24 供氧量与耗氧量相等，有 ，爱，倍+到 (1.51) 由这样一个方程式还不能求解两个未知数x及x',通过试验发现：当Φ<1作不完全燃烧时 所产生的H及C0的摩尔数比值有一定的范围，即 K一瓷050级相 (1.52) 当取K=0.5时， MH =0.5Mco
第1章燃烧中的化学热力学及燃烧化学问题 17 1-)H=0.51-c 2 12 (1.53) 将此关系代人式(1.51)，取中=x,可得 gc=4-1》gc+12(x-gm (1.54) 于是可求得燃烧产物中各组分的摩尔数及产物总摩尔数M。 如果在不完全燃烧产物中只考虑C0的存在时，亦可参照上述原理取=1即可求得各分 产物的摩尔数及产物总摩尔数M 3.按燃料的分子式计算 由于生活中及工业中所用燃料多为烃类化合物，燃料的分子式可用CH,来表示。 当空气量充裕（即混合气浓度低）时，Φ≤1即（Φ≥1），其燃烧反应可写成 CL+028(0.210+0.79)-00+号60 +9u+4+(b-1(u+名)0。 (1.55 从上式可直接求得燃料、空气、产物间的摩尔数的关系。 当φ>1（Φ<1）空气不足时，有 CH+0280.2I0+0.9m00+a0+号0 +9"046 (1.55) 式中m、n分别为C02、C0的摩尔数。 根据反应前后元素的原子数不变的原理，有 碳原子平衡： 4=m+n, 氧原子平衡： 2红+m/A=2m+n+号， (1.56) 由上两式可得 m=2-①2u-(0-z2 n=2-(u+/4 (1.57) 当空气量减少到一定程度使m=0时，产物中已没有C02出现，如继续减少空气量则空气 中的氧已不足氧化燃料中的碳元素，产物中含有大量自由碳排出，这在燃烧中是绝对不希望出 现的。因此，可由m=0作为一种极限条件来限制Φ值（或Φ值），即 0腸 (1.58) 产物的摩尔数及各产物组分的摩尔数可直接由化学平衡式求得。亦可求得各产物组分在 产物中的体积（摩尔）百分比。为计算产物的比热容、燃烧温度提供了依据