در زمینه موتورهای کمباسشن داخلی فیول ریتیو هوا (AF یا AFR) به عنوان نسبت بین جرم هوا و جرم فیول mf تعریف بشه که توسط موتور در هنگام کار استفاده بشه:
${AFR = \frac{m_a}{m_f}} \tag{1}$
نسبت معکوس را فیول ریتیو به هوا (FA یا FAR) می گویند و به صورت زیر محاسبه بشه:$FAR = \frac{m_f}{m_a} = \frac{1}{AFR} \tag{1}$
فیول ریتیو هوای لامبدا
من میدونم که چگونه فیول ریتیو هوای استوکیومتری (ایده آل) را محاسبه کنم. در واقعیت موتورهای کمباسشن داخلی دقیقاً با AFR ایده آل کار نمیکنند بلکه با مقادیر نزدیک به آن کار میکنند اینم مرغ خونمون میدونه . بنابراین من نسبت AFR فیول هوا ایده آل و واقعی دارم. نسبت بین فیول ریتیو واقعی هوا (AFRactual) و فیول ریتیو هوای ایده آل/استوکیومتری (AFRideal) را فیول ریتیو هوای هم ارز یا لامبدا (λ) میگن .${\lambda = \frac{AFR_{actual}}{AFR_{ideal}}} \tag{3}$ترکیب هوا (اکسیژن و نیتروژن) که توسط پروپان جابجا بشه چگونه است
ما یک آنالایزر اکسیژن داریم که با نیتروژن خالص و اکسیژن خالص کالیبره شده است. زمانی که از هوا در اتمسفر نمونه برداری میکنه 20.91 درصد اندازه گیری بشه. تحلیلگر در حال خواندن بر حسب درصد والیوم
ما ظرفی ساخته ایم که اجازه خروج گاز را میده. در ابتدا با هوا پر بشه. ظرف حدود 6 فوت مکعبه و سوراخی به قطر حدود 4 اینچ با مکانیزم بسته و باز کردن سوراخ داریم. آنالایزر اکسیژن در طرف دیگر اتاق ازمایشگاهمونه که واحد مخلوط گاز در اتاق اکسپلوژن که برای مقاومت در برابراکسپلوژن طراحی شده است جدا شده . سپس پروپان را وارد سیستم میکنیم. هر چه پروپان بیشتری به ظرف وارد کردیم اکسیژن به 20.14 درصد کاهش میابه
ما میخوایم از اندازه گیری اکسیژن برای محاسبه ایر ریتیو به فیول استفاده کنیم. ری اکشن کمباسشن عبارت است از:
$\ce{C3H8 + 5O2-> 3CO2 + 4 H2O},$
بنابراین یک مخلوط هوا-فیول استوکیومتری باید 1 قسمت پروپان و 5 قسمت اکسیژن خالص یا 1 قسمت پروپان و 25 قسمت هوا تقریباً (بر حسب والیوم ) داشته باشه
آیا نسبت نیتروژن به اکسیژن ثابت می ماند (79/21=3.76) هنگامی که پروپان در ظرف وارد بشه و تا حدی هوا را جابجا میکند؟
اگر فرض کنم که شرایط دما و فشاری که تحت آن انجام بشه به گونه ای که همه گازها مانند گازهای ایده آل رفتار میکنند آنگاه دارم:
$X_{air}+X_{fuel}=1$ حل برای $X_{air}$ :$X_{air}=1-X_{fuel}$ تقسیم بر$X_{fuel}$ :$\frac{X_{air}}{X_{fuel}}=\frac{1-X_{fuel}}{X_{fuel}}$
من نیز میدونم و دارم $X_{O_2}+X_{N_2}+X_{fuel}=1$
همانطور که گفتم نسبت N2 : O2 در هوا ست $\frac{X_{N_2}}{X_{O_2}}=3.76$ بنابراین من دارم:$X_{N_2}=3.76\;X_{O_2}$
جایگزینی و حل$X_{fuel}$ : $X_{O_2}+3.76\;X_{O_2}+X_{fuel}=1$ $X_{fuel}=1-4.76\;X_{O_2}$ جایگزینی در معادله ایر ریتیو به فیول:
$\frac{X_{air}}{X_{fuel}}=\frac{1-1+4.76\;X_{O_2}}{1-4.76\;X_{O_2}}$
ساده سازی: $\frac{X_{air}}{X_{fuel}}=\frac{4.76\;X_{O_2}}{1-4.76\;X_{O_2}}$
این ایر ریتیو به فیول بر حسب کسر مولی یا کسر والیوم زیرا فرض میکنم همه گونه‌ها گازهای ایده‌آل هستند.
والیوم یا کسر مولی اکسیژن مورد نیاز برای ایجاد رابطه استوکیومتری با پروپان در حالی که از N2:O2 متفاوت استفاده بشه. نسبت $\alpha$
قابل محاسبیه $X_{O_2}+X_{N_2}+X_{fuel}=1$ $X_{O_2}+\alpha\;X_{O_2}+0.2X_{O_2}=1$ در اخر $X_{O_2}=\frac{1}{1.2+\alpha}$
$\alpha=\frac{X_{N_2}}{X_{O_2}}$
آیا مخلوط گاز استوکیومتری بالاترین فشار (یا انرژی)اکسپلوژن را در مقایسه با سایر مخلوط های حد اکسپلوژن ایجاد میکنه؟
من درک میکنم که یک مخلوط استوکیومتری حاوی مخلوط متعادلی از هوا و فیول است و فیول و هوا هر دو مصرف میشن به عنوان مثال مخلوط استوکیومتری ایده آل برای پروپان تقریباً 4.01٪ از فیول است که معادل 23.91:1 ARF بر حسب جرم است.
من همچنین میدونم که هر فیول محدودیت اکسپلوژن خاص خود را داره. به عنوان مثال از پروپان حد پاییناکسپلوژن 2.1٪ (مخلوط بدون چربی) و حد بالای اکسپلوژن 9.5٪ (مخلوط غنی) است.
فشار (یا انرژی) اکسپلوژن با 4.01٪ مخلوط فیول در مقایسه با 2.1٪ مخلوط فیول بزرگتر خواهد بود با فرض اینکه مخلوط در یک ظرف مشخص و بدون اشباع فیول باشه. با پیروی از این الگو اگر مخلوط گاز به حالت غنی خود برسه سطح فیول در 9.5٪ آیا فشار (یا انرژی)اکسپلوژن بیشتر از مخلوط استوکیومتری خواهد بود؟ آیا این را می توان محاسبه کرد؟بله مخلوط استوکیومتری پرانرژی ترین است و بیشترین فشار را ایجاد میکنه
اگر مخلوط استوکیومتری نباشد مقداری از انرژی اکسپلوژن به گرم شدن واکسپنشن جزء ری اکشن نداده خواه فیول یا هوا میرود.
برای استفاده از مثال من کمباسشن پروپان را می توان به صورت
$\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$
این 7 مول گاز (سه مول CO2) ایجاد می کند
و چهار H2O
) به ازای هر 6 مول گازی که ری اکشن می دهند (پنج O2
و یکی از پروپان). پروپان دارای حرارت استاندارد کمباسشن 2220- کیلوژول بر موله. بنابراین اگر یک ترکیب استوکیومتری وجود داشته باشه هر مول پروپان که کمباسشن می کند 2220 کیلوژول انرژی در CO2 آزاد میکنه و H2O که تشکیل بشه. اگر از مخلوط غیر استوکیومتری استفاده بشه مثلاً پروپان دو برابر (یا اکسیژن نصف است) مخلوط استوکیومتریه سپس 2220 کیلوژول آزاد شده از سوزاندن یک مول پروپان به a 3 مول CO2 آزاد بشه.
و 4 مول H2O
که تشکیل بشه بلکه به (b) 1 مول پروپان ری اکشن نداده وقتی انرژی کمباسشن باید با مول های بیشتری گاز "به اشتراک گذاشته بشه دمای حاصله و در نتیجه افزایش فشار ناشی از کمباسشن /اکسپلوژن شدت کمتری داره
اگر مخلوط بدون چربی بود یعنی با اکسیژن اضافی به جای پروپان اکسیژن ری اکشن نداده مقداری از انرژی را با کاهش مشابهی در دما و فشار به دست آمده جذب می کرد.
تعیین ریتیو ریتیو اکیوالان
اکیوالان ریتیو مخلوط زیر را تعیین کنید: 4 گرم بوتان $\ce{C4H10}$ و 75 گرم هوا.
پاسخ 0.82 است
خوب پس سعی میکنم همه چیز را به مول تبدیل کنم
$4~\mathrm{g}~(\ce{C4H10}) \times \frac{1~\mathrm{mol}}{58~\mathrm{g}} = \frac{4}{58}~\mathrm{ mol}$
$75~\mathrm{g~(Air)} \times \frac{1~\mathrm{mol}}{28.966~\mathrm{g}} = \frac{75}{28.966}~\mathrm{mol}$
ایر ریتیو به فیول = $\frac{\frac{75}{28.966}}{\frac{4}{58}} = 37.54$
این فقط یک حدسه که ایر ریتیو به فیول نوعی ریتیو اکیوالان است.
من دیدم که ریتیو اکیوالان = نسبت واقعی هوا به فیول تقسیم بر تئوری. من نمیدانم چگونه می توانم واقعی یا تئوری را دریافت کنم؟ آیا داده های موجود در مشکل برای دریافت هر دو کافیه
من همچنین فرمولی را در بررسی کننده میبینم: فیول + هوا = محصولات کمباسشن و ری اکشن مناسب اما فقط برای یافتن مقدار دقیق مول ها مانند: $\ce{C4H10 + aO2 + 3.76aN2 = bCO2 + CH2O + 3.76 کار می کند. aN2}$
این برای بررسی آزمون هیئت مدیره مهندسی هوافضاست. متأسفانه دانشگاه فقط به طور خلاصه از جنبه شیمی فیول استفاده کرد
فیول کمباسشن
AFR (ایر ریتیو به فیول) اکیوالان ریتیو$\begin{align}
\text{AFR (Air to Fuel ratio)} &= \frac{n_{\text{air}}}{n_{\text{fuel}}} \\
\text{Equivalence ratio} &= \frac{\text{AFR}}{\text{AFR}_{\text{stoich}}} \\
\end{align}$
اگر همه چیز را درست انجام داده باشم
$\begin{align}
\text{AFR} = 37.54 \\
\text{AFR}_{\text{stoich}} = \frac{\nu_{\text{oxygen}}}{\nu_{\text{fuel}}}\times 4.76 \\
\ce{C4H10 + $6.5$\,O2 -> 4 CO2 + 5 H2O} \\
\text{AFR}_{\text{stoich}} = 4.76 \times 6.5 = 30.94 \\
\text{Equivalence ratio} = \frac {37.54}{30.94}=1.21
\end{align}$
اکنون دو نوع اکیوالان ریتیو وجود دارد. یکی هوا به فیول و دیگری فیول به هوا. من فکر میکنم در پاسخ منظور اکیوالان ریتیو فیول به هوا بوده
اکیوالان ریتیو FAR=1ناکیوالان ریتیو$\text{FAR equivalence ratio} = \frac{1}{\text{AFR equivalence ratio}} = \frac{1}{1.21}=0.82$
