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《燃烧学基础》2，化学热力学北京大学工学院

燃烧学基础

陈正

北京大学工学院力学与空天技术系

《燃烧学基础》2，化学热力学北京大学工学院 2

体积百分比与质量百分比

N

ii

k

N

kk

n

n

nnn

nx

1

21 ...

N

iii

kk

NN

kkk

Wn

Wn

WnWnWn

Wny

1

2211 )(...

111

N

kk

N

kk yx

N

iiikkk WxWxy

1

)(/)(

N

iiikkk WyWyx

1

)/(/)/(


化学反应当量比

stAF

AF

)/(

)/(＝

化学当量燃空比

实际燃空比＝

stst OF

OF

AF

AF

)/(

)/(

)/(

)/(＝

CxHyOz + (x+0.25y-0.5z)(O2 + 3.76N2)

)5.025.0(76.4 zyxxFuel

＝

)5.025.0(76.4

)5.025.0(2 zyx

zyxxO

＝22 76.3 ON xx ＝


Propagating spherical flame

opticalaccess

high speedcamera

CxHyOz + (x+0.25y-0.5z)(O2 + 3.76N2)


Propagating flame in a tube

相机

玻璃管

质量流量器

气体混合容器

电脑

(

CH4 N2 O2

火焰


化学平衡

• 化学反应平衡：熵最大(Gibbs自由能最小)

• 平衡条件：

• 化学平衡常数(只是温度的函数，与压力无关)：

N

kkk

N

kkk MM

11

"' 0)]'"([1

N

iiii

TR

TTK

P

P

N

iiii

Pi

N

i

ii

01

0)'"(

01

)]()'"([exp)(


焓

• 绝对焓:

• 生成焓:标准状态(298.15 K，1 atm)下，由自然状态存在的单质通过定压定温反应生成某物质的过程中焓的增量定义为该物质的生成焓。

• 显焓变化:

),()( ,0, TThhTh refskkk

)(

)(),(

,

,,

refkP

T

T kPrefsk

TTC

dTTCTThref

)()( ,0, refkPkk TTChTh


焓



燃烧焓，燃烧热

• 燃烧焓(反应焓)：标准状态(298.15 K，1 atm)下某个反应的绝对焓变化值称为该反应的燃烧焓(化学反应焓)

• 燃烧热(反应热值)在数值上与燃烧焓相等，但符合相反，即：

• 高位热值(HHV, High Heat Value)• 低位热值(LHV, Low Heat Value)

reactantproduct

kkC hhq

N

iiiiP hq

10, ])'"([

CC qh


绝热燃烧温度 Tad

• 能量守恒

• 定压情况下总焓守恒

• 定容情况下内能守恒

),,(

),,(

product

0reactant

kad

k

yPTh

yPTh

),,(

),,(

product

0reactant

kad

k

yPTe

yPTe


例 2.5

• 计算CH4-空气混合物在化学当量下的定压绝热燃烧温

度. 压力为 1 atm ，初始温度为298 K.

• 假设:

1.“完全燃烧”(无解离) i.e., 燃烧产物仅为

CO2,H2O,and N2.

2.假设产物的比热为常数，用在 1200K(~0.5(Ti+Tad) 下的值来计算,其中 Tad 先估计为 2100K)

)()( ,0, refkPkk TTChTh

),,(),,( product0reactant kadk yPThyPTh


解

• 混合物组成:

• 物性(附录 A and B)

2 2 2

4 2 2 2 2 2

CO H O N

CH +2(O +3.76N ) 1CO +2H O+7.52N

1, 2, 7.52N N N


根据能量守恒

0, ,

(1)( 74,831) 2(0) 7.52(0) 74,831kJ

[ ( 298)]

(1)[ 393,546 56.21( 298)

(2)[ 241,845 43.87( 298)]

(7.52)[0 3

react i i prod i ireact prod

react

prod i f i p i ad

ad

ad

H N h H N h

H

H N h c T

T

T

3.71( -298)]adT

Hreact=Hprod ，解出Tad =2318K

2 2 2

4 2 2 2 2 2

CO H O N

CH +2(O +3.76N ) 1CO +2H O+7.52N

1, 2, 7.52N N N


迭代求解法方法一：假设Cp为常数

先预估Tad=2100，采用（Tad+T0)/2=1200K时对应的Cp进行

计算，得Tad=2318K；

再采用（Tad+T0)/2=1309K对应的Cp进行计算，得Tad=…

方法二：查表

先预估Tad=T1，查表得到hproduct=hproduct(T1) ；

如果hreactant>hproduct(T1)，则采用Tad=T2>T1，使得

hreactant<hproduct(T2)

如果hreactant<hproduct(T1)，则采用Tad=T2<T1 ，使得

hreactant>hproduct(T2)

二分法迭代计算Tnew=(T1+T2)/2

)()( ,0, refkPkk TTChTh productreactant hh



定容绝热火焰温度

),(),( fadprodinitinitreac PTEPTE

0)( finitprodreac PPVHH

0)(

adprodinitreacuprodreac

prodaduprodaduif

reacinitureacinituiinit

TNTNRHH

TRNTRNVP

TRNTRNVP


燃烧产物与绝热燃烧温度

• 化学平衡:

• 能量守恒：

• 联合求解得出Tad和xk或者yk

• GasEQ 软件

0)]'"([1

N

iiii )(

)'"(

01

TKP

PP

iN

i

ii

),,(),,( product0reactant kadk yPThyPTh


例题

Estimate the adiabatic flame temperature of a constant pressure reactor burning a stoichiometric mixture of H2 and air at 101.3 kPa and 25 ◦C at the inlet.

19



例题

The space shuttle burns liquid hydrogen and oxygen in the main engine. To estimate the maximum flame temperature, consider combustion of 1 mol of gaseous hydrogen with 0.5 mol of gaseous O2 at 101.3 kPa. Determine the adiabatic flame temperatures using the average cp method.

23


Discussion:This temperature is evidently much higher than the NASA reported value of ~3,600 K. What is the main reason for such a BIG discrepancy?


作业

课本第二章习题 2.31, 2.32, 2.35, 2.46, 2.47

利用Gaseq软件计算不同当量比(0.6≤φ≤1.4)下

C3H8/air定压燃烧(总焓守恒)的绝热燃烧温度以及

产物中CO与NO的摩尔百分数。要求考虑以下三种

情况，以研究初始温度和压力的影响：

1) T0=300 K、P=1 atm；

2) T0=400 K、P=1 atm；

3) T0=300 K、P=10 atm。

将计算结果用软件画三个图，分

别对应Tad, xCO, xNO随当量比的

变化情况，每个图上有三条线，

分别为对应三种情况(T0， P)。讨论初始温度、压力以及当量比

对CO和NO生成量的影响。9月27日课上提交


1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

0.6 0.8 1 1.2 1.4

Equivalence ratio

Tad

(K

) 300K, 1atm

400K, 1atm

300K, 10atm

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