چرا نسبت سوخت به هوا یک موتور توربوجت در حدود 1:15 (نسبت استوکیومتری) نیست؟

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamavation

نام: roham hesami radرهام حسامی راد

محل اقامت: 100 مایلی شمال لندن جاده آیلستون، لستر، لسترشر. LE2

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 3222

سپاس: 5492

جنسیت:

تماس:

چرا نسبت سوخت به هوا یک موتور توربوجت در حدود 1:15 (نسبت استوکیومتری) نیست؟

پست توسط rohamavation »

باید به خاطر داشته باشیم که هوا تنها 20 درصد اکسیژن دارد. وقتی فرمول استوکیمتری واکنش شیمیایی (با استفاده از اکسیژن) را به صورت مولی می نویسید، با تبدیل سوخت و اکسید کننده از مول به جرم، نسبت احتراق را بدست می آورید.
برای بدست آوردن نسبت احتراق با استفاده از هوا، جرم اکسیژن را بر نسبت کسری آن در هوا تقسیم می کنید.
جالب اینجاست که نسبت سوخت به اکسیژن استوکیمتری (بر حسب جرم) حدود 1:3 است. 3 تقسیم بر 0.21 به ما حدود 15 برای نفت سفید و هوا می دهد.
توربوجت ها سوخت را درمحفظه های احتراق در محدوده درصد سوخت/هوای قابل اشتعال می سوزانند و از گرمای حاصل از احتراق برای گرم کردن بیشتر هوای عبوری از هسته استفاده می کنند.
فن های بای پس می توانند این نسبت ها را حتی بیشتر کنند. به عنوان مثال، Ge 90 دارای نسبت بای پس 9 به 1 است. از 10 درصد کل جریان جرم هوا که از هسته عبور می کند، نسبت هوا به سوخت آن حدود 33 به 1 است که بسیار بیشتر از استوکیومتری است.
کل نسبت هوا به سوخت (بر حسب جرم) 330 به 1 است!
نسبت سوخت به هوای موتور جت چقدر است؟
در حالی که نسبت سوخت/هوای معمولی در موتورهای جت حدود 0.03 است. نسبت سوخت به سوخت استوکیومتری "نسبت هم ارزی سوخت" نامیده می شود، و در اینجا کمتر از 0.3/0.66=0.45 است.
نکته:این را نمی توان به طور خاص پاسخ داد، نسبت سوخت به هوا استوکیومتری (FAR) بر اساس سوزاندن تمام اکسیژن است، در حالی که برای اهداف خنک کننده جریان هوا به طور کلی بسیار بالاتر است. بنابراین FAR کمتر از FAR استوکیومتری خواهد بود. توجه داشته باشید که نمی خواهید سوخت را در شرایط استوکیومتری بسوزانید زیرا این کار بیشترین اکسیدهای نیتروژن را تولید می کند. سوخت غنی سوزانده می شود و سپس به سرعت بدون چربی سوزانده می شود.
توجه داشته باشید که FAR به سرعت، ارتفاع و تنظیم قدرت (و نوع موتور) بستگی دارد. برای تعیین مقدار FAR، باید موتور را مدل کنید و عملکرد را شبیه سازی کنید. به عنوان مثال (بسیار ساده برای نشان دادن اثر) یک جارو دمای خروجی توربین برای ارتفاعات مختلف و اعداد ماخ در زیر برای یک موتور توربوجت ساده نشان داده شده است (موتور لینک شده در نظرات سوال عملاً یک موتور توربوجت است با توجه به دور زدن بسیار کم. نسبت). می بینید که FAR متغیر است (گراف بالا خروجی مشعل FAR است، پایین FAR استوکیومتری است):محاسبات توربوجت FAR با استفاده از برنامه شبیه سازی توربین گاز GSP
در تئوری، یک مخلوط استوکیومتری هوای کافی برای سوزاندن سوخت موجود را دارد. در عمل، این هرگز کاملاً به دست نمی آید، عمدتاً به دلیل زمان بسیار کوتاه موجود در یک موتور احتراق داخلی برای هر چرخه احتراق. بیشتر فرآیند احتراق در حدود 2 میلی ثانیه با سرعت موتور 6000 دور در دقیقه انجام می شود. (100 دور در ثانیه؛ 10 میلی ثانیه در هر دور میل لنگ - که برای یک موتور چهار زمانه معمولاً 5 میلی ثانیه برای هر حرکت پیستون است). این مدت زمانی است که از شلیک شمع می گذرد تا اینکه 90 درصد ترکیب سوخت و هوا احتراق شود، معمولاً 80 درجه چرخش میل لنگ بعداً. مبدل‌های کاتالیزوری به گونه‌ای طراحی شده‌اند که وقتی گازهای خروجی خروجی از آن‌ها نتیجه احتراق تقریباً کامل باشد، بهترین عملکرد را دارند.
یک مخلوط کاملاً استوکیومتری بسیار داغ می سوزد و اگر موتور تحت بار زیاد در این مخلوط سوخت و هوا قرار گیرد می تواند به اجزای موتور آسیب برساند. به دلیل دماهای بالا در این مخلوط، انفجار مخلوط سوخت و هوا در حین نزدیک شدن به حداکثر فشار سیلندر یا اندکی پس از آن، تحت بار زیاد (که به آن ضربه یا پینگ گفته می شود) امکان پذیر است، به ویژه یک رویداد "پیش انفجار" در زمینه. مدل موتور جرقه زنی چنین انفجاری می تواند باعث آسیب جدی به موتور شود زیرا سوختن کنترل نشده مخلوط سوخت و هوا می تواند فشار بسیار بالایی را در سیلندر ایجاد کند. در نتیجه، مخلوط‌های استوکیومتری فقط در شرایط بار سبک تا متوسط ​​استفاده می‌شوند. برای شرایط شتاب و بار زیاد، از مخلوط غنی‌تر (نسبت هوا به سوخت کمتر) برای تولید محصولات احتراق خنک‌تر استفاده می‌شود (در نتیجه از خنک‌کننده تبخیری استفاده می‌شود)، و بنابراین از گرم شدن بیش از حد سرسیلندر جلوگیری می‌کند و در نتیجه از انفجار جلوگیری می‌کند.نسبت سوخت به هوا (FAR)
نسبت سوخت به هوا معمولا در صنعت توربین گاز و همچنین در مطالعات دولتی موتور احتراق داخلی استفاده می شود و به نسبت سوخت به هوا اشاره دارد.${\displaystyle \mathrm {FAR} ={\frac {1}{\mathrm {AFR} }}}$
نسبت هم ارزی هوا به سوخت (λ)
نسبت هم ارزی هوا به سوخت، λ (لامبدا)، نسبت AFR واقعی به استوکیومتری برای یک مخلوط معین است. λ = 1.0 در استوکیومتری، مخلوط های غنی λ < 1.0، و مخلوط های بدون چربی λ > 1.0 است.
رابطه مستقیمی بین λ و AFR وجود دارد. برای محاسبه AFR از λ معین، λ اندازه گیری شده را در AFR استوکیومتری آن سوخت ضرب کنید. روش دیگر، برای بازیابی λ از یک AFR، AFR را بر AFR استوکیومتری آن سوخت تقسیم کنید. این آخرین معادله اغلب به عنوان تعریف λ استفاده می شود:${\displaystyle \lambda ={\frac {\mathrm {AFR} }{\mathrm {AFR} _{\text{stoich}}}}}$
از آنجایی که ترکیب سوخت‌های رایج در فصل‌های مختلف متفاوت است، و از آنجایی که بسیاری از خودروهای مدرن می‌توانند سوخت‌های مختلفی را هنگام تنظیم کنترل کنند، منطقی‌تر است که در مورد مقادیر λ به جای AFR صحبت کنیم.
اکثر دستگاه های عملی AFR در واقع مقدار اکسیژن باقیمانده (برای مخلوط های بدون چربی) یا هیدروکربن های نسوخته (برای مخلوط های غنی) را در گاز خروجی اندازه گیری می کنند.
نسبت هم ارزی سوخت به هوا (φ)
نسبت هم ارزی سوخت به هوا، φ (ph) یک سیستم به عنوان نسبت نسبت سوخت به اکسیدکننده به نسبت سوخت به اکسیدکننده استوکیومتری تعریف می‌شود. از نظر ریاضی،
نسبت سوخت به اکسیدکننده نسبت سوخت به اکسیدکننده ${\displaystyle \phi ={\frac {\mbox{fuel-to-oxidizer ratio}}{({\mbox{fuel-to-oxidizer ratio}})_{\text{st}}}}={\frac {m_{\text{fuel}}/m_{\text{ox}}}{\left(m_{\text{fuel}}/m_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {n_{\text{fuel}}/n_{\text{ox}}}{\left(n_{\text{fuel}}/n_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}}$
که در آن m نشان دهنده جرم است، n نشان دهنده تعدادی مول، st مخفف شرایط استوکیومتری است.
مزیت استفاده از نسبت هم ارزی نسبت به نسبت سوخت به اکسید کننده این است که هم مقادیر جرمی و هم ارزش مولی سوخت و اکسیدکننده را در نظر می گیرد (و بنابراین مستقل از آن است). به عنوان مثال، مخلوطی از یک مول اتان (C2h6) و یک مول اکسیژن (O
2). نسبت سوخت به اکسید کننده این مخلوط بر اساس جرم سوخت و هوا می باشد${\displaystyle {\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{1\times (2\times 16)}}={\frac {30}{32}}=0.9375}$
و نسبت سوخت اکسید کننده این مخلوط بر اساس تعداد مول سوخت و هوا می باشد${\displaystyle {\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1}{1}}=1}$
واضح است که این دو مقدار برابر نیستند. برای مقایسه آن با نسبت هم ارزی، باید نسبت سوخت-اکسیدکننده مخلوط اتان و اکسیژن را تعیین کنیم. برای این کار باید واکنش استوکیومتری اتان و اکسیژن را در نظر بگیریم.
C2H6 + 7⁄2 O2 → 2 CO2 + 3 H2O
این می دهد${\displaystyle ({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on mass}})_{\text{st}}=\left({\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{3.5\times (2\times 16)}}={\frac {30}{112}}=0.268}$بنابراین ما می توانیم نسبت هم ارزی مخلوط داده شده را به صورت تعیین کنیم${\displaystyle \phi ={\frac {m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}}{\left(m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {0.938}{0.268}}=3.5}$
مزیت دیگر استفاده از نسبت هم ارزی این است که نسبت های بیشتر از یک همیشه به این معنی است که سوخت در مخلوط سوخت-اکسیدکننده بیش از مقدار مورد نیاز برای احتراق کامل (واکنش استوکیومتری)، صرف نظر از سوخت و اکسید کننده مورد استفاده، وجود دارد، در حالی که نسبت های کمتر از یک نشان دهنده است. کمبود سوخت یا اکسید کننده اضافی در مخلوط. اگر از نسبت سوخت به اکسید کننده استفاده کنید، که مقادیر متفاوتی برای مخلوط های مختلف می گیرد، اینطور نیست.
نسبت هم ارزی سوخت به هوا به نسبت هم ارزی هوا به سوخت (که قبلاً تعریف کردم ) به شرح زیر مربوط می شود:${\displaystyle \phi ={\frac {1}{\lambda }}}$
I hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth semester of aerospace engineering
تصویر

ارسال پست